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明輪效應或將提升固態電池的安全性和循環效率

鉅大LARGE  |  點擊量:594次  |  2021年10月16日  

隨著智能手機、筆記本電腦、汽車和電網的發展,對電池儲能的需求不斷上升。固態電池的安全性更高、使用壽命更長,被視為最有前途的下一代技術之一。據外媒報道,作為美國能源部阿貢國家實驗室領導的能源創新中心,能源存儲研究聯合中心(JCESR)在固態電池方面取得重大進展。固態電池面對的一個重要挑戰在于,如何提升固態電解質中鋰離子的擴散率。因為比起傳統鋰離子電池中用的液體有機電解質,它的擴散率通常較慢。


加拿大大學的重要教授LindaNazar是JCESR團隊的合作成員之一。Nazar教授及其博士后研究助理ZhizhenZhang展示了,如何通過明輪明輪效應(paddlewheeleffect),即原子的協調運動,促進鋰離子在固態電池中的流動。據Nazar介紹,固態電池使用固體電解質,而不是通常的液體有機電解質,有望成為鋰離子電池的替代品。Nazar說:“它們具有成為更安全、更持久電池的潛力,可以供應更高的能量密度,這對各種電化學儲能應用很重要,比如汽車、機器人、無人機等等。作為固態電池中最重要的組成部分,在很大程度上,固態電解質決定了電池的安全性和循環穩定性。”


(:阿貢官網)


有關當前的鋰離子電池來說,熱失控可能導致電池發生火災和爆炸。考慮到這些危險因素,JCESR嘗試用固體電解質取代電池內部的液體有機電解質。少數固態電解質的離子電導率,與液態有機電解質相同高,因此備受關注。同時,JCESR正在探索一種可以顯著加速離子擴散的現象:在固態電解質框架中,正常靜止的陰離子會發生旋轉運動,幫助驅動鋰陽離子。Nazar說:“事實上,組成固體框架的陰離子‘構建塊’并不是不動的,而是在經歷旋轉運動。我們的研究表明,在固體框架內,陰離子動態原理能促進鋰離子移動。即使在室溫下,通過調整框架也可以“啟動”陰離子動態反應,并使其通過明輪效應與陽離子擴散強烈耦合。這有點類似于有多人通過的旋轉門。”


雖然新型固體電解質的研究仍處于發展階段,但相關進展令人鼓舞。JCESR主管GeorgeCrabtree表示,這項突破顯著提高鋰離子電池的安全性和部署,或將改變游戲規則。Crabtree稱:“假如能找到一種固態電解質,保證鋰離子快速移動,它將替代液態有機電解質,并使電池立即擺脫熱失控反應,這是目前鋰離子電池起火的重要原因。單就安全優勢而言,在手機、筆記本電腦、錄像機、汽車和電網等領域,這種電解質將會擁有廣闊的市場。”

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整個JCESR團隊都對固態電池充滿期待。密歇根大學和麻省理工學院的其他合作伙伴,也在探討固體電解質及“明輪效應”。Crabtree說,固態電池是工業上最有前途和最受歡迎的進步之一。Crabtree稱:“JCESR希望從原子和分子水平上了解電池行為的起源。有了這些知識,我們可以逐個原子、逐個分子地從頭開始構建電池,讓每個原子和分子都在構建目標電池過程中發揮指定的用途。明輪效應就是其中一個例子。此項研究處于固態電解質研究的前沿,我們想把這方面的知識應用到商業領域。”(來源:蓋世汽車/作者:Elisha)



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