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極低氣溫下鋰電池趴窩?科學(xué)家提出新解決方法

鉅大LARGE  |  點擊量:378次  |  2023年08月12日  

為了探索更具應(yīng)用前景的鋰電池,科學(xué)家們都將目光投向了基于純鋰的金屬陽極方案,而不是當(dāng)前普遍采用的混合材料。與此同時,為了攻克其在低溫下性能不佳的缺點,研究這一領(lǐng)域的科學(xué)家們也一直在“絞盡腦汁”,并已取得了一些突破。


據(jù)報道,加州大學(xué)圣迭戈分校(UCSD)的研究團(tuán)隊就在試圖開發(fā)一種可以在極低溫度下充電和放電的電池,這通常需要額外的加熱系統(tǒng),不過此次他們將重點放在了電解質(zhì)上,依靠電解質(zhì)中的弱結(jié)合性,令鋰金屬電池在寒冷條件下釋放出空前性能。


據(jù)了解,與當(dāng)前使用的石墨/銅的混合陽極相比,純鋰金屬陽極具有出色的能量密度,因此它被認(rèn)為是一項很有前途的技術(shù)。在如此之大的差異面前,一些電池研究人員甚至將鋰金屬描述為“夢想材料”,并將其視為打破能量密度瓶頸的關(guān)鍵。


作為在循環(huán)過程中于電池兩極間來回攜帶鋰離子的溶液,電解質(zhì)在一塊電池中的重要性是不言而喻的。UCSD研究團(tuán)隊此次的目標(biāo)是開發(fā)一種不會結(jié)冰的電解質(zhì),讓鋰離子在寒冷的環(huán)境中也能進(jìn)行移動。


具體而言,研究人員用了兩種類型的電解質(zhì)進(jìn)行實驗,其中一種可與離子牢固結(jié)合、另一種則要弱得多,進(jìn)而驗證哪種情況更適用于低溫工況。

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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%

結(jié)果發(fā)現(xiàn),在-60℃(-76℉)環(huán)境下,采用牢固結(jié)合電解質(zhì)的這組實驗電池僅能堅持兩個循環(huán),而后就停止了工作。而與之相對的是,使用弱結(jié)合電解質(zhì)的電池在循環(huán)50次后仍能平穩(wěn)運行,并保持76%的容量。若將工作溫度改為-40°C(-40°F),這種方案甚至能保持84%的容量。


該研究第一作者JohnHoloubek表示,“我們發(fā)現(xiàn)鋰離子與電解質(zhì)之間的結(jié)合、以及離子在電解質(zhì)中所占據(jù)的結(jié)構(gòu),與它們在低溫下的表現(xiàn)有極大的關(guān)聯(lián)。”


值得一提的是,針對此類概念驗證電池的進(jìn)一步研究還表明,弱結(jié)合電解質(zhì)能夠讓離子更均勻地沉積在電池陽極上,而強結(jié)合電解質(zhì)則會導(dǎo)致塊狀和針狀的沉積(枝晶)。這是研究鋰金屬電池的科學(xué)家們關(guān)注的另一個重點,因為它們會迅速導(dǎo)致電池短路和失效等嚴(yán)重故障。


研究人員表示,“通過在原子層面了解鋰離子和電解質(zhì)的相互作用,不僅可以提升鋰電池的低溫表現(xiàn),還有助于防止枝晶的形成”


研究小組在這些發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,建立了一個具有硫基陰極和弱結(jié)合電解質(zhì)的鋰金屬電池原型。據(jù)稱,這種設(shè)備將有望在外太空探索和深海勘探等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

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標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測繪、無人設(shè)備

“這項工作的意義實際上是雙重的,”研究人員說,從科學(xué)的角度來說,它提出了與傳統(tǒng)觀點相反的見解。從技術(shù)上講,這是第一款可在超低溫下充電的鋰金屬電池,它還可以在-60攝氏度完全運行的情況下提供可觀的能量密度。這兩方面都為超低溫電池提供了一個完整的解決方案。



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