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斯坦福研發新型電解液制鋰金屬電池 可減輕電動汽車重量/延長續航

鉅大LARGE  |  點擊量:784次  |  2020年08月26日  

導語:與鋰離子相比,鋰金屬電池更輕、能量密度更高,或許會成為下一代電池。


據外媒報道,美國斯坦福大學(StanfordUniversity)的科學家發明了一種新型鋰基電解液,可能為下一代純電動汽車的發展鋪平道路。斯坦福大學的研究人員們展示了,其新型電解液設計可以提升鋰金屬電池的性能,而鋰金屬電池是一種很有前景的技術,能夠為電動汽車、筆記本電腦和其他設備供應動力。


該研究的合著者YiCui表示:“大多數電動汽車所用的鋰離子電池的能量密度正迅速接近理論極限,因此我們的研究集中在鋰金屬電池,此種電池比鋰離子電池更輕,單位重量和體積供應的能量更多。”


廣泛用于智能手機、電動汽車等各種產品中的鋰離子電池有兩個電極,一個含有鋰的陰極以及一個通常由石墨制成的陽極。當電池被使用以及在充電時,電解質溶液就會讓鋰離子在陽極和陰極之間來回穿梭。


與如今傳統的鋰離子電池相比,鋰金屬電池每千克可多容納一倍的電力,只需用鋰金屬取代石墨陽極,就可以存儲更多的能量。


該研究另一名合著者ZhenanBao表示:“關于電動汽車而言,鋰金屬電池非常有發展前景,但是其重量和體積是一個大問題。在運行過程中,鋰金屬陽極會與液體電解質發生反應,導致陽極表面會有稱作樹突的鋰微結構生長,從而導致電池起火以及失效。”


研究人員們花費了數十年的時間,以解決鋰金屬電池的樹突問題。


該研究的合著者、化學系研究生ZhiaoYu表示:“電解液一直是鋰金屬電池的阿喀琉斯之踵,我們在研究中采用了有機化學,以合理的方式為此類電池設計和打造穩定的新型電池電解液。”


在該項研究中,研究人員們探討了是否可以用一種普通的、已實現商用的液體電解質來解決穩定性的問題。


Yu表示:“我們假設,在電解液分子中加入氟原子會讓電解液更穩定。氟是鋰離子電池電解液中廣泛使用的元素,我們利用其能夠吸引電子的能力,打造了一種新分子,讓鋰金屬陽極能夠在電解液中發揮良好的用途。”結果制成了一種新型合成化合物,縮寫為FDMB,而且可以實現批量生產。


Bao表示:“電解液設計變得越來越奇特,有些雖然效果不錯,但是制造成本很高。而FDMB分子卻可以實現大批量生產,而且非常便宜。”


斯坦福大學團隊在鋰金屬電池中測試了此種新型電解液,結果非常好。經過420次充放電循環,實驗電池仍保有90%的初始電量。在實驗室中,普通的鋰金屬電池在大約30次充放電循環后就會停止工作。


研究人員們還測量了,在充放電過程中,鋰離子在陽極和陰極之間轉移的效率,該特性稱為“庫倫效率(coulombicefficiency)。”


Cui表示:“假如給1000個鋰離子充電,放電之后,可以回收到多少了鋰離子呢?理想情況下,庫倫效率達到100%,就可以回收到1000個。假如要想能夠商用,電池的庫倫效率要達到99.9%。而在我們的研究中,一半電池芯的庫倫效率達到了99.52%,所有電池芯的庫倫效率達到了99.98%,表現令人難以置信。”


為了可能會用于消費類電子產品的鋰金屬電池,斯坦福大學研究小組還測試了FDMB電解液在無陽極鋰金屬軟包電池中的應用,此種電池已經實現商用,陰極會向陽極供應鋰。


該研究合著者兼材料科學與工程系研究生HansenWang表示:“我們的想法是只用陰極一側的鋰,以減輕電池重量。該款無陽極電池在容量下降至80%之前,可以充放電循環100次,雖然無法媲美同等容量的鋰離子電池(可以充放電循環500至1000次),但仍是性能最好的無陽極電池之一。研究結果顯示,該款電池可廣泛用于各種設備,輕型、無陽極電池將成為無人機和許多消費電子產品一個吸引客戶的特性。”


美國能源部正在資助一個名為Battery500的大型研究團體,以實現鋰金屬電池,從而讓汽車制造商能夠打造更輕、續航里程更長的電動汽車。該研究的部分資助也來自該團體,而該團體包括斯坦福大學和SLAC國家加速器實驗室。


通過改進陽極、電解質和其他電池組件,Battery500的目標是將鋰金屬電池的電量提高近2倍,從2016年的180瓦時/千克提升至500瓦時/千克。更高的能量-重量比,或者更高的“比能”才是解決電動汽車買家續航里程焦慮的關鍵。


Cui表示:“我們在實驗室打造的無陽極電池的比能達到了325瓦時/千克,相當可觀。我們的下一步是與Battery500的其他研究人員合作,打造接近該團隊目標的500瓦時/千克的電池。”


除了具有更長的循環壽命和更好的穩定性,與傳統電解液相比,FDMB電解液也更不易燃。


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