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美國高校相互合作 利用不易燃電解質(zhì)制成高效率電池

鉅大LARGE  |  點擊量:522次  |  2021年06月04日  

據(jù)外媒報道,美國佛羅里達州立大學(FloridaStateUniversity)和康奈爾大學(CornellUniversityresearch)研究小組發(fā)現(xiàn),用廉價而安全的組件可以制成電池,而且與現(xiàn)在最先進的鋰離子電池相比,此類電池的效率要高出2至3倍。


FAMU-FSU工程學院博士后研究院A.Nijamudheen與康奈爾大學博士生SnehashisChoudhury,以及兩所大學的其他教職人員一起,開啟了一項調(diào)查,研究目前的電池設計存在什么缺陷,以及如何改進。Choudhury表示:“看到電池成本隨時間上漲的現(xiàn)象并不奇怪,廣泛采用電池的技術(shù)要降低成本。”


為降低成本,研究人員解決了幾個與電解質(zhì)相關(guān)的具體問題,電解質(zhì)是電池結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分,可以促進離子從一個電極移動至另一個電極。研究小組了解了電解質(zhì)在電池電極上降解的化學過程,研究人員不僅發(fā)現(xiàn)了電解質(zhì)降解的機制,還發(fā)現(xiàn)了多種解決方法。Nijamudheen表示:“我們發(fā)現(xiàn),控制在負極上形成的界面(SEI)的離子特性是關(guān)鍵。”


研究人員通過量子計算發(fā)現(xiàn),電池降解的源頭在于電解質(zhì)中一種叫做二甘醇的成分發(fā)生聚合的方式。聚合是一種分子以化學方式結(jié)合,出現(xiàn)一種叫做聚合物的長鏈狀分子的過程。就電池而言,電解質(zhì)在與電池的正負極接觸時間長了之后,常常會分裂并重新成為更大的分子。研究人員表示:“雖然降解過程本身無害,但是降解出現(xiàn)的物質(zhì)會阻止離子進入電池電極,隨著時間推移,就會減少電池所能存儲的能量。”但是,盡管降解過程出現(xiàn)的某些聚合物會阻止離子達到電極,但是已有證據(jù)證明,其他種類的聚合物能夠有效延長電池壽命。在進行聚合計算之后,研究人員開始研究聚合過程中,不會影響電池性能的其他類型的電解質(zhì)。


一般來說,鋰離子電池由有機碳酸鹽電解質(zhì)制成,但是此類電解質(zhì)高度易燃,所以為防止電池熱失控和火災風險,還要供應昂貴的、冷卻熱調(diào)節(jié)部件。因此,研究人員測試了一種不易燃的穩(wěn)定電解質(zhì)–鋰硝酸鹽電解質(zhì)。

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充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

利用該電解質(zhì),研究人開始在固態(tài)電解質(zhì)SEI膜上進行試驗。SEI膜是由于電解質(zhì)分解而形成的一層保護層,通常在電池首次循環(huán)時出現(xiàn)。


研究人員利用犧牲鹽或通過電解質(zhì)引入的新分子,在電池中自然形成了一種新型SEI膜,此外,研究人還引入了鏈轉(zhuǎn)移劑(一串分子),與二甘醇相互用途,形成屏蔽層,保護帶負電荷的電極不再降解。


為評估該設計的有效性,研究團隊對電池的使用能力進行了一系列實驗,然后再給電池充電。結(jié)果發(fā)現(xiàn),此種電池可以循環(huán)大約2000次,遠高于傳統(tǒng)鋰離子電池的300至500次。


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