新電解質可杜絕鋰離子電池短路問題

2020-11-22 人民網

原標題：新電解質可杜絕鋰離子電池短路問題

　　新電解質可杜絕鋰離子電池短路問題

　　有助於開發更強大實用的下一代充電電池

　　科技日報訊 美國能源部太平洋西北國家實驗室的科學家開發出一種新型電解質，不但能解決鋰離子電池短路起火問題，還能大幅提高電池效能和使用壽命。研究人員稱，該發現可能導致更加強大而實用的下一代可充電電池，如鋰硫、鋰空氣和鋰金屬電池等。相關論文發表在《自然·通訊》雜誌上。

　　目前大多數的可充電電池都是鋰離子電池，其陽極由鋰或其他材料製成，陰極通常由石墨製成。當電池被連通後，電子在兩極之間的流動就會產生電流。為了控制電子，帶有正電荷的鋰離子會經由電解質從一極到另一極。但是石墨儲能能力較低，這限制了鋰離子電池的容量。於是在20世紀70年代時，人們開發出了基於鋰陰極的充電電池。之所以選擇鋰，是因為它具有比石墨多10倍以上的儲能容量。但問題是，這會導致微觀上出現樹突狀鋰枝晶生長，從而使電池出現短路故障。多年來許多人都試圖解決這一問題。

　　有科學家們採用了具有保護塗層的陽極材料，而其他一些人則製造出了電解質添加劑。一些解決方案的確消除了樹突，但同時也導致電池功率和電量的大幅縮減。還有其他一些解決方法只能減緩這一現象的發生，卻無法讓樹突停止生長。

　　物理學家組織網2月25日報導稱，由美國能源部太平洋西北國家實驗室研製出的這種新型電解質不但能完美解決樹突問題，還能幫助鋰離子電池發揮99%的效能，將其單位面積的能量密度提高10倍以上。

　　負責這項研究的太平洋西北國家實驗室物理學家張繼光（音譯）說，今天廣泛應用的可充電鋰離子電池的容量正在接近其峰值，應該對以鋰為陽極的設計進行重新審視。基於此前的研究，張繼光和他的同事決定用含有大量鋰雙（氟磺醯）的亞胺鹽作為新型電池的電解質。此外，他們還加入了一種被稱為二甲氧基乙烷的物質。

　　研究人員製造了一個圓形的測試電池。在電池中使用新的電解質和鋰陽極。結果發現，鋰陽極的存在只產生了一些平滑的鋰節點而沒有出現大量的纖維狀樹突。經過1000次充電放電循環後，測試電池的電量仍為初始值的98.4%，能量密度保持在4毫安每平方釐米。

　　這種新的電解質非常高效，同時也提供了一種新的可能性。今天電池的陰極實質上是由塗有石墨或鋰等活性材料的薄金屬片製成的。這個金屬薄片被稱為集電體，因為我們的手機等用電器正是通過它來獲取電流的。之所以需要在上面塗覆活性材料，是因為迄今為止，大多數電解質在電池工作的過程中都會消耗鋰離子。但是超過99%效率的電解質意味著可能創造出一種只有負集電體而沒有活性材料塗覆的陰極。這有望大幅減少電池的生產成本和其尺寸，也將顯著提高這些電池的安全性。

　　研究人員正在評估各種添加劑，以進一步提高電解質的性能，使鋰離子電池達到99.9%以上的效率。（王小龍）

相關焦點

  • 阿克倫大學研發剪切增稠電解質 可提升鋰離子電池抗外部衝擊能力
    電動汽車中常用的電池類型之一便是鋰離子電池，但是因碰撞或是其他對汽車施加的衝擊會導致鋰離子電池起火或爆炸，衝擊會導致電極內部短路，因「熱失控」，小火會蔓延至整個電池以及汽車的其他部分。美國阿克倫大學高分子科學副教授Yu Zhu博士表示：「儘管大家在電池熱管理方面已經做出了很大的努力，但是最近電動汽車電池起火和爆炸的事故還是讓公眾很擔憂。
  • 科學家們發現可以提高鋰離子電池性能的固體電解質材料
    史丹福大學材料科學與工程系的訪問學者奧斯汀·森德克（Austin Sendek）說：「典型的鋰離子電池有兩個固體電極，中間有兩個高度易燃的液體電解質。」 「我們的目標是設計穩定，低成本的固體電解質，從而增加電池的功率和能量輸出。」
  • 著火了也能繼續供電的電池!斯坦福崔屹團隊發明可防火的新電解質
    常規鋰電池尚且如此，對於擁有高能量密度的下一代鋰離子電池——鋰金屬電池來說，其安全性則是更大的問題。可以這麼說，安全問題是困擾著鋰離子電池進一步發展的重要因素之一，也是許多科研團隊重點攻關的對象。 近日，國際知名材料學家、《麻省理工科技評論》「35歲以下科技創新35人」評委、史丹福大學崔屹教授領銜的團隊在鋰金屬電池安全領域取得了重大突破。
  • 用於安全高壓鋰離子電池的環狀磷酸鹽基電解質
    鑑於不斷向可再生能源技術轉移以及物聯網（IoT）設備的數量不斷增加，全球研究人員一直在嘗試開發更高效，更長運行時間的電池。鋰離子電池（LIB）目前是可攜式電子設備的首選儲能技術，因為它們包含有機電解質，通常可實現高的工作電壓和能量密度。
  • 聚合物鋰離子電池基礎知識
    聚合物鋰離子電池所用的正負極材料與液態鋰離子都是相同的，正極材料分為鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰材料，負極為石墨，電池工作原理也基本一致。它們的主要區別在於電解質的不同， 液態鋰離子電池使用液體電解質， 聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質來代替， 這種聚合物可以是「幹態」的，也可以是「膠態」的，目前大部分採用聚合物膠體電解質。
  • 聚合物鋰離子電池概述
    聚合物鋰離子電池所用的正負極材料與液態鋰離子都是相同的，正極材料分為鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰材料，負極為石墨，電池工作原理也基本一致。它們的主要區別在於電解質的不同， 液態鋰離子電池使用液體電解質， 聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質來代替， 這種聚合物可以是「幹態」的，也可以是「膠態」的，目前大部分採用聚合物膠體電解質。
  • 固態電解質電池具有怎樣的魅力呢
    眾所周知，電解液是鋰離子電池不可或缺的重要組成部分，是鋰離子電池獲得高電壓、高循環性能等優點的必備條件。鋰離子電池通常採用有機溶劑作為電解液，而這類有機溶劑極易燃燒，電池一旦由於內短路產生高溫或者火花，電解液將在瞬間被點燃並導致整個電池發生爆炸。新的思路是，將易燃的液態電解液，變成固態電解質，降低因為易燃而導致的安全風險，同時也能獲得更好的性能。
  • 鋰離子電池熱穩定性與過高溫及短路安全性分析總結
    導讀：從材料的角度出發，鋰離子電池具有較強的危險性，特別是在濫用的情況下，安全問題更為突出。 近年來關於鋰離子電池引發火災甚至爆炸事故的報導屢見不鮮。鋰離子電池主要由負極材料、電解液和正極材料組成。
  • 日本在室溫下合成陶瓷柔性片狀電解質 可加速鋰金屬電池上市
    研究人員將石榴石型陶瓷、聚合物粘合劑和一種離子液體混合在一起，打造出一種類固態片狀電解質。由於研究人員在室溫下進行合成，因而與現有在高溫下（> 1000°C）進行的工藝相比，該新方法的耗能大大降低。此外，該電解質能夠在很大的溫度範圍內工作，是一種前景非常好的電解質，可用於電動汽車等設備的電池中。
  • 著火了也能繼續供電的電池!斯坦福崔屹團隊發明新電解質,大幅提高鋰金屬電池安全性
    鋰電池這麼不安全，是因為在高溫、碰撞等情況發生時，電池很容易自燃、甚至引發爆炸，對於航空、汽車安全構成嚴重威脅。常規鋰電池尚且如此，對於擁有高能量密度的下一代鋰離子電池——鋰金屬電池來說，其安全性則是更大的問題。可以這麼說，安全問題是困擾著鋰離子電池進一步發展的重要因素之一，也是許多科研團隊重點攻關的對象。
  • 香港利用護膚霜成分制電解質 製成不易燃且安全的水系鋰離子電池
    （圖片來源：香港中文大學）手機、筆記本電腦，甚至電動汽車等電子設備和電子產品在很多方面改善了我們的日常生活，而它們都使用了鋰離子電池。由於鋰離子電池可以充電且能穩定地輸出能量，因而成為了此類產品的核心。
  • 鋰離子電池熱穩定性與過充、高溫及短路安全性分析總結!
    因此，從材料的角度出發，鋰離子電池具有較強的危險性，特別是在濫用的情況下，安全問題更為突出。       鋰離子電池的火災危險性主要由電池內部各部分發生化學反應產熱量多少決定。處於熱濫用時，熱源除了來源於電池內部正負極材料及其與電解液的反應以外，隔離膜在高溫下熔化收縮導致正負極短路，短路產生的焦耳熱也是熱箱試驗時的重要熱源。表2總結了電解液體系為1mol/L LiPF6/(PC+EC+DMC)，一 定溫度範圍內鋰離子電池體系的熱行為。
  • 用護膚霜成分製成的電池電解質實現穩定且不易燃的水性鋰離子電池
    鋰離子電池的轉變：從易燃有機物到水溶液的轉變在手機、筆記本電腦等改善了我們日常生活的電子設備和小工具中，總能找到鋰離子電池。由於可充電的特性和穩定的能量輸出，它們已經成為這些電子產品的核心。儘管經過多年的研究，鋰離子電池仍然嚴重依賴有毒、易燃的有機電解液來發電，嚴重的安全隱患仍未得到解決。一些起火、爆炸事件表明，鋰離子電池的安全性還沒有得到保障。
  • 科普:液體鋰離子電池vs聚合物鋰離子電池
    手機鋰電池大家聽得多，但這玩意又是怎麼分類的呢（下文鋰離子電池簡寫成鋰電）？　　其實在電子產品領域，鋰電池常見的有液體鋰離子電池和聚合物鋰離子兩種。　　*（18650指電池的直徑為18mm，長度為65mm，圓柱體型的電池。
  • 鋰離子電池還能用水做電解液?水系電解液鋰離子電池全面解讀
    傳統的鋰離子電池主要採用有機電解液，這主要是因為傳統LCO/石墨體系鋰離子電池電壓較高，超過了水溶液電解質的穩定電壓窗口，因此只能採用有機溶液電解質。近年來隨著人們對動力電池安全性、環保性要求的提高，水溶液電解質又開始得到人們的重視。
  • 超酷的電池材料:一種新電解質添加劑可幫助電池在-40℃工作
    導語：中國和美國的科學家一同開發了一種電解質材料添加劑，據了解，這種添加劑可以擴大鋰離子電池的工作溫度範圍，使電池可在-40℃的溫度下工作，60℃的高溫下也不會影響性能。研究小組發現，通過調整電解液中不同添加劑的體積，他們可以開發出在- 40℃到60℃的溫度下仍能保持良好性能的鋰離子電池。這項工作重點在於五種電解質添加劑的不同組合的使用。從中發現了有三種化合物添加劑可形成最佳組合，這一組合在- 40℃時可以提高放電性能，在60℃時能略微改善循環的穩定性。在25℃時，電池在1000次循環後能夠保持85 %以上的容量。
  • 又薄又柔的固態電解質,讓全固態鋰電池飛起來!
    鋰離子電池是當今電池世界的霸主,隨著對能量密度越來越高的要求,採用金屬鋰負極成為大勢所趨,而金屬鋰負極進一步增加了電池安全風險。解決電池安全性能的重要任務,就這樣落到了全固態鋰電池的肩上。為了獲得與基於液體電解質的鋰電池相當的能量密度,固體電解質需要具有高離子電導率、力學強度好、不可燃、化學穩定性等特性。
  • 固態鈉金屬電池新突破：大連化物所研製出新型電解質
    IT之家12月7日消息 中科院 11 月 30 日發布消息，稱大連化學物理研究所的研究團隊發展出一種 「高室溫離子電導率的光聚合凝膠準固態電解質」，可以用於高倍率、長壽命的納金屬固態電池。根據中科院消息，「鈉元素具有與鋰相似的特性，使鈉離子電池成為一種具有競爭力的電化學儲能器件。」但是鋰離子目前使用的石墨負極材料不適用於鈉離子電池，因此需要研發滿足鈉離子特性的理想負極材料。
  • 高性能鉀電池採用非易燃電解質 打造下一代儲能系統
    ，可應用於鉀和鉀離子電池，促進鋰技術以外的下一代儲能系統發展。新型電解質基於有機磷酸鹽，使電池更加安全，而且可以在低濃度下運行，這是大規模應用的必要條件。 目前，鋰離子電池技術在儲能市場佔據主導位置，但是，這種電池存在價格、環境問題和電解液易燃等固有缺點。在開發下一代電池技術時，科學家們嘗試用鉀離子等更豐富、更便宜的材料，來取代鋰離子。然而，鉀和鉀離子電池也存在安全問題，比如電解質易燃。
  • 美國科學家用液態晶體當電池電解質 可讓電池更安全、更持久
    蓋世汽車訊在鋰離子電池充放電過程中，枝晶是一種具有破壞性的副產品。此類微小的沉澱物會在電池的陽極和陰極之間產生，隨著時間的推移而不斷堆積，最終縮短電池的壽命，更可怕的是，可能會導致電池起火。因此，為了尋求更安全、更持久的電池，尤其是用於電動汽車、卡車和飛機的電池，研究人員一直在探索抑制枝晶形成的方法。