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研究人员发明新涂层与固态复合物电极,提高锂电池的容量与安全2019/10/02
    据外媒报道,美国斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的研究人员发表在《焦耳》杂志上的一项研究指出,他们发明了一种新的涂层,可以使轻量金属锂电池安全持久,这将引领下一代电动汽车的诞生。
在实验室测试中,涂层显著延长了电池的寿命,它还通过极大地限制穿透电池正负极之间隔板的析锂来处理燃烧问题。
研究人员指出,金属锂电池每磅的能量至少比锂离子电池多三分之一,而且非常轻,因为它们使用轻量锂作为带正电荷的一端,而不是更重的石墨。如果金属锂电池更可靠,从笔记本电脑到手机,这些便携式电子产品都能从中受益,但真正的收入来源将是汽车。电动汽车最大的阻力是电池就占据了成本的四分之一,这触及电动汽车生产成本的核心问题。
传统锂离子电池的容量已经发展到了极限,因此,开发新型电池以满足现代电子设备的高能量密度要求至关重要。
斯坦福大学和SLAC的研究小组在一个标准金属锂电池的正电荷端(称为阳极)上测试了它们的涂层,正电荷端通常形成析锂。最终,他们将特殊涂层的阳极与其他市场上可买到的组件结合起来,创造出一种完全可运行的电池。经过160次循环使用后,他们的金属锂电池仍能提供第一次循环时85%的电能。普通的金属锂电池在如此多次循环后会大概只能释放约30%的能量,即使它们不会爆炸,作用也不大了。
这种新的涂层通过形成一个分子网络来阻止析锂的形成,这个网络可以将带电的锂离子均匀地输送到电极上。它可以防止这些电池发生不必要的化学反应,还可以减少阳极上的化学物质积聚以避免它们破坏电池的供电能力。
研究小组目前正在改进其涂层设计,以便在更多周期内测试电池及提高容量保持率。
固态复合物电极
顶级学术期刊《Matter》8月刊登中国科学技术大学的马骋教授和他的合作者最新成果。该成果提出一种新策略,可以有效解决下一代固态锂电池中电极材料和固态电解质接触差这一关键问题,合成出的固态复合物电极展现出优异的容量和倍率性能。
当前主流锂电池使用液态电解质,存在起火等安全隐患,且特定体积内能够储存的能量有限,但能解决这些问题的下一代固态锂电池仍存在很多尚未攻克的难题。用固态电解质替换传统锂离子电池中的有机液态电解质可以极大缓解安全问题,且有望突破能量密度的“玻璃天花板”。然而,主流电极材料也是固态物质,由于两种固态物质之间的接触几乎不可能像固-液接触那样充分,目前使用固态电解质的电池难以实现良好的电极-电解质接触,电池整体性能也并不令人满意。
马骋团队及其合作者通过对一种经典钙钛矿结构的固态电解质中的杂质相进行原子级观测,虽然杂质和固态电解质结构迥异,研究者却观察到他们的原子在界面处能以相互外延的形式排布。经过一系列细致的结构和化学分析,研究者发现这一杂质相和高容量的富锂层状物电极结构相同。
利用观察结果,研究者将成分和钙钛矿固态电解质相同的非晶粉末在富锂层状物颗粒的表面做成结晶,成功地在新复合物电极中实现两种固态材料间充分、紧密的接触。解决了电极-电解质接触问题,这种固-固复合物电极的倍率性能可以和固-液复合物电极相媲美。更重要的是,研究者还发现这种外延的固-固接触可以容忍很大的晶格错配,因此他们提出的策略可适用于多种钙钛矿固态电解质和层状电极。来源:中国科技网
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