研究人員發現:氧化鋁塗層可以保護電池正極 並促進電池反應

2020-12-05 騰訊網

（圖源：萊斯大學官網）

蓋世汽車訊 據外媒報導，萊斯大學博士後研究員Anulekha Haridas利用所構建的鋰離子全電池，測試氧化鋁塗層對正極的影響。該納米塗層可以保護正極不發生降解。

萊斯大學布朗工程學院（Rice University's Brown School of Engineering）的研究人員，將一層薄薄的氧化鋁塗在普通正極上，發現這會使電動汽車的電池性能更好，並具有更強大的離網儲能能力。

美國化學學會在研究報告中描述一種以前未知的機制。在這種機制下，鋰被困在電池中，限制了全功率狀態下的充放電次數，但這並沒有讓人們失去希望。萊斯化學和生物分子實驗室的工程師Sibani Lisa Biswal，在電池中找到一個最佳點，通過不讓電池的存儲容量達到最大化，為相關應用提供平穩的循環。

Biswal表示，傳統鋰離子電池採用的是石墨基負極，其容量低於400mAh/g。相比之下，矽負極的潛在容量可能是它的10倍。但是，矽負極也存在缺陷：當矽與鋰結合生成合金時，矽會膨脹，給負極造成壓力。該團隊利用多孔性矽打造電池，並將其容量限制為1000mAh/g，結果顯示，所測試電池循環穩定，並能保持良好的容量。Biswal說:「容量最大化會給材料帶來很大的壓力。這一策略可以在不產生同等壓力的情況下獲得容量。1000mAh/g稱得上是很大的飛躍。」

該團隊由博士後研究員Anulekha Haridas領導，他們測試了大容量多孔矽負極（代替石墨）與高壓鎳錳鈷氧化物（NMC）正極相搭配的概念。鋰離子全電池經過數百個循環，表現出穩定的可循環性和1000 mAh / g容量。通過原子層沉積，在一些正極上覆以3nm氧化鋁層，另一些則沒有。研究人員發現，在氫氟酸存在的情況下，氧化鋁塗層可以防止正極分解。氫氟酸的形成是由於水（甚至是微量的水）入侵液體電解質。測試表明，氧化鋁還能加快電池的充電速度，並減少充放電次數。

Haridas表示，鋰在氧化鋁中快速傳輸，可能被大量捕獲。研究人員已經發現，矽負極可以大量捕獲鋰，使其不適用於電力設備。但這是關於氧化鋁本身可吸收鋰直至飽和的首份報告。從這一點看，該層可作為催化劑，促進正極的離子遷移。Haridas說：「這種鋰捕獲機制可以有效地保護正極，為全電池保持穩定的容量和能量密度。」

相關焦點

  • 阿貢實驗室研發PEDOT塗層 保護電池正極
    （圖源：阿貢官網）製造性能優良的鋰離子電池，需要同時解決各種問題，比如保持電池的導電能力，確保電池多次循環後的安全性。據外媒報導，在一項新發現中，美國能源部阿貢國家實驗室的科學家們，通過氧化化學氣相沉積技術，研發一種新的正極塗層，幫助解決鋰離子電池的這些潛在問題。在這項研究中，阿貢的研究人員 Khalil Amine及其同事，從鎳錳鈷(NMC)正極材料中提取粒子，用一種叫做PEDOT的含硫聚合物，將其包裹起來。當電池充放電時，這種聚合物為正極提供保護層，使其免受電池電解質的傷害。
  • 活性氧化鋁塗層隔膜助力高性能鋰離子電池
    塗布隔膜用的漿料是將5%的氧化鋁粉末與5%的PVDF-HFP溶解於NMP中，然後塗布在PE隔膜上。用於實驗的電池體系為NCM622/石墨，其中正極的塗布量為12.4mg/cm2，負極的塗布量為6.3mg/cm2。實驗中採用的電解液為凝膠電解液，其中加入了5.94%的TEGDA和0.06%的AIBN，電池在70℃的條件下加熱2h以便讓凝膠電解液充分發生聚合反應。
  • 活性氧化鋁塗層隔膜助力高性能鋰離子電池
    用於實驗的電池體系為NCM622/石墨，其中正極的塗布量為12.4mg/cm2，負極的塗布量為6.3mg/cm2。實驗中採用的電解液為凝膠電解液，其中加入了5.94%的TEGDA和0.06%的AIBN，電池在70℃的條件下加熱2h以便讓凝膠電解液充分發生聚合反應。
  • 研究人員開發緩解正極降解的策略 提升鋰離子電池性能
    蓋世汽車訊 作為電動汽車和消費電子產品等可再生應用的高性能電源，鋰離子電池（LIB）需要能提供高能量密度、而不影響電池壽命的電極。據外媒報導，美國西北大學（Northwestern University）等機構的研究人員探討高能量密度LIB電池正極材料發生降解的根源，並開發緩解降解機制的策略，以提升LIB電池性能。
  • 納米級厚度氧化鋁塗層或可完美防腐
    ▲研究人員發現，一種用於金屬的固體氧化物保護塗層，當其足夠薄時，可以像液體一樣變形，從而填充裂縫。研究人員發現了一種用於金屬固體氧化物塗層，當其足夠薄時，可以像液體一樣產生形變，從而填充裂縫。這種薄塗層可用於防止小分子（燃料電池中的氫氣、核電站中的放射性氘）洩露。即使金屬表面有堅硬的保護層，氧氣也能通過裂縫接觸到金屬表面，進而進入金屬顆粒間的界面，從而導致進一步腐蝕。如此往復最終引發金屬材料的結構損壞。但有3種元素在被氧化後可以通過形成的氧化膜阻止自身的進一步氧化：氧化鋁、氧化鉻和二氧化矽。
  • 石墨烯塗層可以幫助製造更高能量密度的鋰離子電池
    美國西北大學和克萊姆森大學的研究人員與韓國世宗大學的研究人員一起研究了高能量密度LIB正極材料降解的根源，並開發了基於石墨烯的策略來減輕這些降解機理並改善LIB性能。 他們的研究對於許多新興應用而言可能是有價值的，尤其是電動汽車和用於風能和太陽能等可再生能源的電網級儲能。
  • 芬蘭利用二氧化碳分子制電池保護塗層 讓電池更耐用/更高效
    (圖片來源：阿爾託大學)據外媒報導，芬蘭阿爾託大學(Aalto University)的研究人員注意到，如果將一個人工層塗覆到電池的電極表面，電池能夠充電，還可以使用更長的時間。當添加的人工層發生反應並形成具有保護性的SEI層時，就可以節省電極材料。此外，人工打造的SEI的表面比自然生產的SEI層更均勻、質量更高。無機材料，即不含碳的材料，在沉積原子層時就已經被使用。現在，阿爾託大學的研究人員首次使用二氧化碳生產電池保護塗層，未來此類塗層可以延長電池的壽命，並讓利用更高效的新電池材料成為可能。
  • 具有超疏水鋰保護層的鋰空氣電池
    儘管近年來對鋰空氣電池的研究已取得了逐步改進，但大多數先前的研究仍集中在真正的鋰空氣電池，必須在環境空氣中啟用電池操作。通常，Li-O2電池的理想反應基於Li2O2的形成和分解，當切換到環境空氣時，CO2，H2O和N2可能與Li2O2反應，鈍化鋰金屬負極，並加速鋰空氣電池的降解。正極中的副反應會導致副產物（即LiOH和Li2CO3）的積累和電池在循環過程中的極化。
  • 研究人員開發了全新系列正極 有望取代鋰離子電池中常用的昂貴鈷正極
    美國橡樹嶺國家實驗室(OakRidgeNationalLaboratory)的研究人員開發了全新系列正極，有望取代目前鋰離子電池中常用的昂貴鈷正極，為電動汽車和消費電子產品提供動力。新型正極名為NFA(鎳、鐵和鋁基正極)。這種材料是鎳酸鋰的衍生物，可用於製造鋰離子電池的正極，並具有充電速度快、能量密度高、成本低和壽命長等優勢。
  • 全固態鋰離子電池正極界面的研究進展
    儘管研究人員意識到了空間電荷層的存在，也證實了空間電荷層是導致基於硫化物固態電解質的全固態鋰離子電池阻抗過大的主要原因，但是對於空間電荷層的化學形成過程的機理依然認識不清。同時，由於外加電勢差的作用，界面處空間電荷層的化學行為更加複雜。 第三部分：電化學穩定性與化學穩定性不同，全固態鋰離子電池正極材料固-固界面的電化學穩定性體現的是在電場力作用下，界面保持原有物理化學性質的能力。
  • 鋰離子電池新方向：石墨烯塗層可幫助提高能量密度和電池壽命
    財聯社（上海，編輯 黃君芝）訊，據報導，來自美國和韓國的科學家們近期共同研究了高能量密度鋰離子電池（LIBs）正極材料降解的根源，並開發了基於石墨烯的策略來減輕這些降解機理並提高電池的性能。這項研究是由美國西北大學、克萊姆森大學，以及韓國世宗大學的研究人員共同完成的。該研究主要作者Mark Hersam表示：「LIB中的大多數降解機制都發生在與電解質接觸的電極表面上。我們試圖了解這些表面的化學性質，然後制定使降解最小化的策略。」
  • 鋰離子電池新方向:石墨烯塗層可幫助提高能量密度和電池壽命
    本文來自「財聯社」據報導，來自美國和韓國的科學家們近期共同研究了高能量密度鋰離子電池（LIBs）正極材料降解的根源，並開發了基於石墨烯的策略來減輕這些降解機理並提高電池的性能。具體而言，研究人員採用表面化學表徵作為識別和最小化NCA（鎳，鈷，鋁）納米顆粒合成過程中殘留的氫氧化物和碳酸鹽雜質的策略。他們意識到，LIB正極表面首先需要通過適當的退火來製備，該過程是將正極納米顆粒加熱以去除表面雜質，然後通過原子層厚度的石墨烯塗層將其鎖定為所需的結構。
  • 研究人員研發合成聚合物電池正極材料 可用於快充電池
    Mendeleev大學以及RAS化學物理問題研究所的俄羅斯研究人員合成了可用於鋰雙離子電池的新聚合物陰極材料，並對其進行了測試。測試結果表明，新陰極性能優於鋰離子電池，不僅可循環25,000個充電周期，並可在幾秒鐘內完成充電，可用於生產價格較低的鉀雙離子電池。由於許多設備大多採用自動模式，因此全球電量消耗逐年遞增，對於能量存儲解決方案的需求也隨之增長。
  • 2021 Science報導鋅空氣電池研究突破:正極生成過氧化鋅的非鹼性鋅空氣電池
    較高的鋅負極利用率，從而可以大幅提高電池的能量密度，並降低單位能量密度的電池成本；2. 電池充放電反應可逆性高，具有長循環壽命；3.電池可以在在空氣中穩定的運行，還降低了對電池包裝材料的耐腐蝕性要求。這樣一種全新的2電子轉移反應機理，有望實現較快的動力學，為進一步加速空氣正極反應程的特徵催化劑開發提供了新的研究平臺。
  • 鋰離子電池反應方程式
    以上組成的電池的端電壓是零伏，但在含有LiBF4，LiPF6等鋰離子的支持的非水溶劑中，充電時根據反應LiCoO2+6C→CoO2+LiC6的反應，因正、負極材料的活化蓄了電的二次電池則成為：LiC6∣SE∣CoO2。在這個電池中正極反應、負極反應和全電池反應分別以1-3式表示。
  • [Science]鋅空氣電池突破:正極生成過氧化鋅的非鹼性鋅空氣電池
    較高的鋅負極利用率，從而可以大幅提高電池的能量密度，並降低單位能量密度的電池成本；2. 電池充放電反應可逆性高，具有長循環壽命；3.電池可以在在空氣中穩定的運行，還降低了對電池包裝材料的耐腐蝕性要求。這樣一種全新的2電子轉移反應機理，有望實現較快的動力學，為進一步加速空氣正極反應程的特徵催化劑開發提供了新的研究平臺。
  • ...儲能|負極|固態電池|全固態電池|高禾投資研究中心|正極材料|鋰...
    其中，聚合物電解質屬於有機電解質，氧化物與硫化物屬於無機陶瓷電解質；按照正負極材料的不同，固態電池還可以分為固態鋰離子電池（沿用當前鋰離子電池材料體系，如石墨+矽碳負極、三元正極）和固態鋰金屬電池（以金屬鋰為負極）。
  • 環己六酮刷新鋰離子電池有機正極容量世界紀錄—新聞—科學網
    正極是鋰離子電池的「短板」 鋰離子電池的容量、能量密度等性能由正極限量，陳軍告訴《中國科學報》：「可以說，正極是鋰離子電池的一個『短板』。」 另外，現有的鋰離子電池正極材料包含鈷等金屬元素，合成工藝涉及選礦、冶煉、回收等技術，存在資源匱乏、環境汙染等難題。
  • 新材料學院潘鋒課題組對低成本電池正極材料MnO2的研究與發展進行...
    近年來，MnO2由於成本低廉、高理論容量等優點被作為多種離子電池正極宿主材料而廣泛研究，包括應用在Li+、Na+、K+、Zn2+、Mg2+等正極材料，但MnO2材料低的電子/離子電導率、低的可逆放電容量、緩慢的擴散動力學和較差的循環穩定性，限制了其產業化應用潛力。
  • 研究人員開發出預測鈉離子電池原子結構的方法
    研究人員相信鈉離子電池富有發展潛力。理論上來說，鈉離子電池的性能不如鋰離子電池，但差距並不大。Wagemaker稱：「在實驗室規模上，鈉離子電池的能量密度只比鋰離子電池低20%到30%。對於可以經常充電的車輛來說，鈉離子電池可能成為很好的替代品。」此外，鈉離子電池也適合固定應用，例如家裡的電源牆或儲存風能和太陽能的電池公園。