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新设计可以实现更持久、更强大的锂离子电池

发布时间:2023-02-26 人气:

新设计可以实现更持久、更强大的锂离子电池

高级电池艺术家概念

使用新型电解质可以实现先进的金属电极和更高的电压,从而提高容量和循环寿命。

锂离子电池使我们现在认为轻便便携的电子设备成为可能,并使电动汽车生产迅速扩大。但世界各地的研究人员正在继续突破极限,以实现更高的能量密度——给定质量的材料中可以存储的能量——以提高现有设备的性能,并可能实现新的应用,如长-范围无人机和机器人。

一种有前途的方法是使用金属电极代替传统的石墨,在阴极具有更高的充电电压。然而,这些努力受到了与分隔电极的电解质发生的各种不需要的化学反应的阻碍。现在,麻省理工学院和其他地方的一组研究人员发现了一种新型电解质,它可以克服这些问题,并可以在不牺牲循环寿命的情况下显着提高下一代电池的单位重量功率。

这项研究发表在麻省理工学院教授 Ju Li、Yang Shao-Horn 和 Jeremiah Johnson 的一篇论文中,发表在《自然能源》杂志上;博士后薛卫江;麻省理工学院、两个国家实验室和其他地方的其他 19 人。研究人员表示,这一发现可能使锂离子电池现在通常每公斤可储存约 260 瓦时的电量,而现在每公斤可储存约 420 瓦时的电量。这将转化为电动汽车的更长续航里程和便携式设备的更持久变化。

防止开裂的新型电解质

在布鲁克海文国家实验室拍摄的 X 射线断层扫描图像显示,使用传统电解液的电池的一个电极中的一个颗粒出现裂纹(如左图所示)。研究人员发现,使用一种新型电解质可以防止大部分这种开裂(右)。学分:由研究人员提供

这种电解质的基本原材料很便宜(尽管其中一种中间化合物由于用途有限而仍然很昂贵),而且制造过程也很简单。因此,研究人员表示,这一进步可以相对较快地实施。

化学教授约翰逊解释说,电解质本身并不新鲜。它是几年前由该研究团队的一些成员开发的,但用于不同的应用。这是开发锂空气电池的努力的一部分,锂空气电池被视为最大化电池能量密度的最终长期解决方案。但此类电池的开发仍面临许多障碍,该技术可能还需要数年时间。与此同时,事实证明,将这种电解质应用于带有金属电极的锂离子电池可以更快地实现。

这种电极材料的新应用是在几年前由 Shao-Horn、Johnson 和其他人在一项旨在开发锂空气电池的合作企业中最初开发出来的,“有点偶然”。

“实际上仍然没有什么可以提供良好的可充电锂空气电池,”约翰逊说。然而,“我们设计了这些有机分子,我们希望与现有的液体电解质相比,这些分子具有稳定性。” 他们开发了三种不同的磺胺类制剂,他们发现这些制剂对氧化和其他降解作用具有很强的抵抗力。然后,与 Li 的团队合作,博士后 Xue 决定用更多的标准阴极来尝试这种材料。

他们现在使用这种电解质的电池电极类型,一种含有一些钴和锰的氧化镍,“是当今电动汽车行业的主力,”核科学与工程和材料科学与工程教授李说.  

由于电极材料在充电和放电时会各向异性地膨胀和收缩,因此在与传统电解质一起使用时会导致开裂和性能下降。但在与布鲁克海文国家实验室合作的实验中,研究人员发现使用新电解质可以大大减少这些应力腐蚀开裂退化。

问题是合金中的金属原子倾向于溶解到液体电解质中,失去质量并导致金属开裂。相比之下,新电解质对这种溶解具有极强的抵抗力。李说,看看布鲁克海文测试的数据,“看到这一点有点令人震惊,如果你只更换电解质,那么所有这些裂缝都消失了。” 他们发现电解质材料的形态更加坚固,过渡金属在这些新电解质中“只是没有那么多的溶解度”。

他说,这是一个令人惊讶的组合,因为这种材料仍然很容易让锂离子通过——这是电池充电和放电的基本机制——同时阻止其他阳离子(称为过渡金属)进入。与标准电解质相比,多次充放电循环后电极表面不需要的化合物的积累减少了十倍以上。

机械工程和材料科学与工程教授 Shao-Horn 说:“电解质在化学上具有抗高能富镍材料氧化的能力,可防止颗粒破裂并在循环过程中稳定正极。” “电解质还可以实现锂金属的稳定和可逆剥离和电镀,这是实现可充电锂金属电池的重要一步,其能量是最先进的锂离子电池的两倍。这一发现将促进进一步的电解质研究和锂金属电池液体电解质的设计,以与固态电解质相媲美。”

下一步是扩大生产规模,以使其负担得起。“我们使用现成的商业起始材料,通过一种非常简单的反应就可以做到这一点,”约翰逊说。目前,用于合成电解质的前体化合物价格昂贵,但他说,“我认为,如果我们能够向世界展示这是一种适用于消费电子产品的出色电解质,进一步扩大规模的动力将有助于压低价格”

因为这本质上是对现有电解质的“直接”替代,不需要重新设计整个电池系统,Li 说,它可以快速实施,并可以在几年内实现商业化。“没有昂贵的元素,只有碳和氟。所以它不受资源的限制,它只是过程,”他说。

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