【技術前沿】美國BNL實驗室發現陽鋰金屬陽極新技術或將提高能量密度

2021-02-26 新能源電池回收利用專業委員會
據外媒報導，美國布魯克海文國家實驗室（BNL）的研究人員近日對於鋰金屬陽極電池內部反應機制有了新的發現，該項研究的結果是未來研製出更小尺寸、更輕重量、更低成本的EV汽車動力電池，這項發現今天發表在《自然納米技術》上。

（圖：布魯克海文國家實驗室）

智慧型手機、電動汽車等各種電子設備中都能找到傳統鋰離子電池，雖然鋰離子電池使很多技術得到了廣泛應用，但在作為動力蓄電池提供長行駛裡程方面仍面臨著挑戰。

為了打造更適合電動汽車的電池，美國太平洋西北國家實驗室（PNNL）牽頭成立了為Battery500的聯盟，這個為期五年、投資額5,000萬美元的Battery500聯盟，將把資金中的20%用以贊助電池技術領域的小型「種子」研發項目, 該項目目標是打造能量密度為500Wh/kg的電池電芯，這項指標是當今最先進電池的兩倍。Battery 500聯盟由五所高校及4個國家實驗室組成，目前已經取得多項研究成果。

（圖：Battery500聯盟的核心團隊成員）

與大多採用石墨為陽極的鋰離子電池相比，鋰金屬電池採用鋰金屬為陽極。這項研究的主要負責人表示：鋰金屬陽極是滿足500Wh/kg能量密度目標的關鍵因素之一，優點在於其更高電池單位比容量及更高的電池電壓，二者結合就可以實現更高的能量密度。 

鋰金屬陽極是首個與電池陰極耦合的陽極，但是由於缺乏通過可逆電化學反應充電的能力，研究人員最終用石墨陽極取代了鋰金屬陽極，打造了鋰離子電池。現在，經過幾十年的進步，研究人員有信心實現可逆的鋰金屬陽極，以超越鋰離子電池的極限，而該項技術的關鍵在於界面，即電化學反應過程中電池電極上形成的固體材料層。研究人員表示：如果我們能充分理解這層固體材料層，就能夠為材料設計和重建鋰金屬陽極提供重要指導。但是該項任務十分困難，因為該界面是僅有幾納米厚的材料層，並且對空氣和溼度十分敏感。

在NSLS-II將此種界面實現可視化為了應對上述挑戰，直觀目擊該界面的化學構成和結構，研究人員採用了布魯克海文國家實驗室的設備——NSLS-II，可產生超亮X射線用於研究原子尺度的材料特性。

除了利用NSLS-II的先進能力之外，該研究小組還需要利用一個能夠探測該界面所有成分的波束線（實驗站），用短波長X射線探測晶體相以及非晶相。研究人員表示：化學團隊採用了XPD的多模態方法，利用了波束線提供的兩種不同技術，X射線衍射（XRD）和對分布函數（PDF）分析。XRD能夠研究晶體相，而PDF能夠研究非晶相。XRD和PDF分析表明：界面內存在鋰氫化物（LiH）。幾十年來，科學家們一直在爭論是否界面內存在LiH，從而給形成界面的基本反應機製造成了不確定性。研究人員表示：氫化鋰（LiH）和氟化鋰（LiF）有著非常相似的晶體結構，一些人認為我們錯把LiF認作了LiH。考慮到該項研究涉及的爭議及技術挑戰，該研究小組決定為LiH的存在提供多條證據，包括進行空氣暴露實驗。除了確定LiH的存在之外，團隊還解決了另一個圍繞LiF的長期難題。LiF被認為是中間相中的首選成分，但尚未完全理解為什麼。研究小組確定了相間LiF和本體LiF之間的結構差異，前者促進了鋰離子在陽極和陰極之間的傳輸。目前，電池研究科學家們還在針對此項目繼續合作，如果結果確認無誤，該項研究成果將能夠為鋰金屬陽極提供急需的實用指導，推動此種有發展前景材料的研究向前發展。

來源：網際網路

更多內容，請點擊下面的閱讀原文

相關焦點

  • 最新研究:下一代鋰金屬電池新技術
    鋰電池是以鋰金屬或鋰合金為陽極材料，使用非水電解質溶液的電池。隨著二十世紀末微電子技術的發展，小型化的設備日益增多，鋰電池隨之在許多領域得到了大規模的實際應用。一個主要挑戰是，儘管可充電鋰金屬陽極在新一波鋰電池的功能方面起著關鍵作用，但在電池運行過程中，它們極易受樹枝狀晶體的微觀結構的生長的影響，而樹枝狀晶體持續增長會導致危險的短路、著火、甚至爆炸。哥倫比亞大學與卡內基·梅隆大學的科學家今天報告說，他們已經發現鹼金屬添加劑（例如鉀離子），可以防止電池使用過程中鋰微結構的擴散。
  • 超高能量密度 可充電鋰金屬電池將量產
    日前，美國Sion Power公司宣布，其將從今年年底開始量產鋰金屬電池，該產品將被用於電動車和無人機等領域。據了解，該電池能量密度可達500Wh/Kg（或1000Wh/L），循環次數可達450次。
  • 鋰金屬陽極的新型凝膠聚合物電解質
    SK Innovation和John Goodenough教授的團隊將共同開發具有更高能量密度，更好的安全性和具有競爭力的成本的下一代電池。感興趣的領域是一種新型的凝膠聚合物電解質系統，該系統具有抑制鋰金屬陽極電池中枝晶生長的潛力，並最終縮短了全固態鋰金屬電池的上市時間。
  • 改善新一代鋰金屬電池性能的新技術
    哥倫比亞大學開發了一種防止枝晶生長的技術，其是鋰金屬陽極（負極）的主要課題。鋰硫電池、鋰空氣電池、全固態鋰電池等新一代鋰電池有望作為輕量、持久且低成本的儲能設備，為電池行業帶來革新。為實現這些電池的商業化，枝晶在鋰金屬陽極上的生長是必須解決的課題之一。精細結構的枝晶在電池運行時形成，會引起短路，從而造成起火或爆炸，極具危險性。
  • SK創新合作美國電池公司 研發能量密度、循環壽命高一倍的鋰金屬電池
    蓋世汽車訊 據外媒報導，美國一家專注於研發第一款可充電鋰金屬電池的民營企業PolyPlus電池公司宣布，將與韓國最大的能源化工公司SK創新（SKI）合作，共同研發鋰金屬電池。
  • 神奇半導體黑磷也是鋰陽極潛力材料，電池儲電量有望再提高
    科學家一直以來都想要擴大鋰離子電池的儲電容量，透過將石墨陽極換成鋰或著是矽材，讓人們不用擔心手機電量、開著電動車也不必顧慮與充電站的距離，而現在美國科學家發現另一種效率也不錯的替代材料：磷。鋰電池的陰極（正極）是由鋰和鈷、鎳、錳等過度金屬組成，陽極（負極）材料則是石墨、銅製成，鋰離子會在兩極間與電解質之中來回移動
  • 半液態金屬陽極,下一代電池的新範式
    phys.org網站6月12日報導，最新一期的《焦耳》雜誌發文稱，美國卡內基梅隆大學的研究人員開發了一種半液態鋰金屬陽極，這種陽極設計有望成為下一代電池的新範式。使用新型半液態電極的鋰電池或可具備更高的容量，並且比傳統鋰電池更安全。鋰電池是現代電子產品中最常見的可充電電池之一。
  • 美國研發低溫電池促成劑   金屬鋰具有開發更大電池容量的潛力
    導讀：美國科學家展示了一種改善電池性能的新方法。該小組集成了在陽極表面形成的自組裝層，防止樹突的形成。雖然他們的原型電池壽命很短，但該團隊相信，這種方法可以帶來性能更好的電池，尤其適用於低溫應用。在滿足對新的、先進的儲能技術的需求的許多方法中，鋰金屬陽極是最有前途的一種。
  • 美國研發新型柔軟固體電解質 可改善鋰金屬電池增加電動汽車續航
    蓋世汽車訊 為了研發能夠讓電動汽車（EV）的續航裡程達到數百英裡的可充電電池，科學家們都致力於用鋰金屬陽極取代現有電動汽車電池中使用的石墨陽極。 圖片來源：勞倫斯伯克利國家實驗室 但是，雖然鋰金屬可以將電動汽車的續航增加
  • 比克電池:正極補鋰技術將助力高能量密度電池突破發展
    伴隨消費升級對電池續航能力的要求不斷提高，高能量密度成為電池發展的必然趨勢，矽基負極則是當前突破能量密度瓶頸的首選材料之一。為進一步推進電池矽基負極材料創新研究，近日，第四屆高能量密度鋰離子電池矽基負極材料創新研究與發展研討會在江蘇常州舉行。作為行業領先企業，比克電池受邀出席此次大會並做研究報告。
  • 電池新技術前瞻：用鈉代替電池中的鋰
    鋰離子電池於1991年進入市場，並於2019年因其對技術發展的革命性貢獻而獲得了諾貝爾化學獎。同時，鋰是一種昂貴的鹼金屬，其儲量在全球範圍內是有限的。當前，沒有替代鋰離子電池的遠程有效的替代品。由於鋰是最輕的化學元素之一，因此更換鋰來製造大容量電池非常困難。
  • 新一代鋰金屬電池能量密度500Wh/kg的重大突破
    密度能量變得更高、重量變得更輕、壽命變得更長、安全性能也得到了提高，鋰電池研發和應用的世界紀錄正在安徽省合肥市被不斷刷新。6月15日，合肥啟蒙科技城宣布，經過近兩年的研發，安徽盟維新能源科技有限公司在新一代500瓦時/千克鋰金屬電池的能量密度方面取得重大突破。
  • 非晶態鋰的重大發現   將促進新型高性能電池的出現
    導讀：研究人員已經開始研究鋰在電池循環過程中的沉積動力學。通過改變不同的參數，他們發現將鋰轉化為無定形是相對容易的，這在機電水平上是優越的。來自愛達荷國家實驗室和聖地牙哥大學的研究小組研究了鋰離子電池充電前幾分鐘的原子水平。研究人員在最近發表在《自然材料》上的「高性能可充電鋰電池的玻璃鋰金屬陽極」中討論了鋰的電化學可逆性。這種可逆性決定了鋰的形態和電學性質。因此，更好地理解這一過程可以促進高性能電池的發展。當電池循環時，其鋰離子沉積在陽極上。
  • 《自然》子刊:新納米結構電池陽極問世電池能量密度和安全性大增
    來自俄勒岡州立大學(OSU)工程學院、中佛羅裡達大學和休斯頓大學的研究人員開發了一種基於新型納米結構合金的電池陽極，這可能會徹底改變儲能設備的設計和製造方式。該研究結果已發表在《自然通訊》上。OSU的研究員表示，「世界的能源需求正在增加，但是開發具有高能量密度和長循環壽命的下一代電化學儲能系統仍然具有技術挑戰性。」「使用水基導電溶液作為電解質的水基電池是一種新興的、更安全的鋰離子電池替代品。但水系統的能量密度相對較低，而且水會與鋰發生反應，這進一步阻礙了水電池的廣泛應用。」
  • 《自然》子刊:新納米結構電池陽極問世,電池能量密度和安全性大增
    OSU的研究員表示，「世界的能源需求正在增加，但是開發具有高能量密度和長循環壽命的下一代電化學儲能系統仍然具有技術挑戰性。」 「使用水基導電溶液作為電解質的水基電池是一種新興的、更安全的鋰離子電池替代品。但水系統的能量密度相對較低，而且水會與鋰發生反應，這進一步阻礙了水電池的廣泛應用。"
  • 斯坦福研發新型電解液制鋰金屬電池 可減輕電動汽車重量/延長續航
    【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】導語：與鋰離子相比，鋰金屬電池更輕、能量密度更高，或許會成為下一代電池。據外媒報導，美國史丹福大學（Stanford University）的科學家發明了一種新型鋰基電解液，可能為下一代純電動汽車的發展鋪平道路。
  • 「時代高科」前沿 | 美國研發鋰空氣電池 具有能量高效轉換和穩定的性能
    【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】導讀美國的科學家展示了一種鋰空氣電池，該電池具有改進的能量和穩定性能，這歸功於使用了三磷化鉬作為充電和放電反應的催化劑鋰氧或鋰空氣電池是改善當今儲能技術的眾多途徑之一。鋰及其他金屬空氣電池因其具有高能量密度的潛力而在研究中受到青睞，然而，低效率和較差的循環壽命已證明在開發該技術時要克服許多困難。
  • 南科大鄧永紅團隊在下一代超高能量密度鋰金屬電池應對策略獲進展
    500 Wh/Kg 鋰金屬電池（500 Wh/Kg Class Li Metal Battery Enabled by Self-Organized Core-Shell Composite Anode）」為題，首次提出一種全新的抑制鋰枝晶的方法，並可以將鋰金屬負極在減少質量的同時減少負極的體積，從而使鋰金屬電池同時實現超高體積能量密度1500 Wh
  • 美國科學家發現新型電解質材料 能量密度更高、成本更低
    據外媒消息報導，科學家們正在尋找新的化學物質，從而可以提升電池的能量密度和性能，使此種電池能夠超越傳統的鋰離子電池。其中一種電池為能量密度更高、成本更低的鋰硫電池，與傳統的石墨/金屬氧化物鋰離子電池相比，此種電池內部發生的寄生反應會損害其性能，阻礙其高效循環。美國能源部阿貢國家實驗室（U.S.
  • 【凱福真空·技術】利用電池內部自熱效應可消除鋰電池陽極樹突堆積
    鋰金屬陽極電池的能量密度遠遠高於石墨陽極的鋰離子電池，但也因為產生嚴重的枝晶問題遲遲無法將之大規模商業化。不過科學家現在發現，如果在高電流密度下循環充放電增強電池自熱效應，此舉竟然可以「治癒」鋰電池的樹突結構。可充電鋰離子電池是消費型電子產品主要應用的電池，並日益成為電動汽車、電網儲能應用的首選電池，其正極（陰極）為鋰金屬氧化物，負極（陽極）則是石墨。