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

2020-12-05 騰訊網

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30%至50%，其也會縮短電池的使用壽命。因為會產生鋰枝晶（樹突），即電池多次充放電循環後在鋰陽極上形成的微小的樹狀缺陷。更糟糕的是，如果樹突與陰極接觸，還會導致電池短路。

幾十年來，研究人員一直認為堅硬的固體電解質，如陶瓷製成的電解質，最能防止樹突穿透電池。不過，很多人也發現，此種方法的問題在於，其沒有從一開始就阻止樹突的「形成」或「成核」，就像最終會在汽車擋風玻璃上擴散的小裂縫一樣。

現在，據外媒報導，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的研究人員與卡內基梅隆大學（Carnegie Mellon University）合作，研發了一種新型的柔軟固體電解質。此種電解質由聚合物和陶瓷製成，可以在樹突擴散以導致電池失效之前，抑制樹突在早期成核。

該項技術是伯克利國際實驗室在其用戶設施開展多學科合作，研究新想法，以組裝、表徵和研發用於固態電池中的材料和設備的一個示例。

固態儲能技術，如採用固態電極和固態電解質的固態鋰金屬電池，既具有高能量密度，也具有優異的安全性，但是該技術還需要克服各種與材料和加工相關的挑戰。研究人員則表示，採用新電解質研發出的鋰金屬電池甚至可以用於驅動電動飛機。

設計此種柔軟固體電解質的關鍵是採用了具有微孔的軟聚合物（PIM），其孔隙由納米大小的陶瓷顆粒填充。由於該電解質仍然是一種靈活、柔軟的固體材料，電池製造商可以將該電解質作為一個層壓板，在陽極和電池隔膜之間製造出一卷鋰箔。此類鋰電極子組件（LESA）是一種很有前景的替代品，可直接取代傳統的石墨陽極，讓電池製造商得以採用現有的生產線生產新電池。

為了展示新款PIM複合材料電解質的樹突壓制性能，研究人員採用伯克利國家實驗室先進光子源（Berkeley Lab's Advanced Light Source）的X射線，創建鋰金屬和電解質之間界面的3D圖像，並將在高電流下長達16個小時的鋰電鍍和鋰剝離過程實現可視化。當新的PIM複合電解質出現時，可以觀察到鋰在連續平穩地增長；當沒有此種電解質時，界面顯示出樹突開始早期生長的跡象。

上述結果和其他數據都證實了鋰金屬電沉積物理模型的預測，該模型既考慮到了固體電解質的化學特性，也考慮到了機械特性。

研究人員表示：「雖然電動汽車和電動垂直起降飛機（eVTOL）等具有獨特的功率要求，但是PIM複合固體電解質技術是多功能的，可以在高功率下工作。」

相關焦點

  • 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。
  • 國外研發出一種新型固體電解質 將替代目前鋁離子電池中的液體電解質
    打開APP 國外研發出一種新型固體電解質 將替代目前鋁離子電池中的液體電解質 蓋世汽車網 發表於 2019-01-07 15:40:05
  • 掌信檢測：斯坦福研發新型金屬電池可減輕電動汽車重量/延長續航
    ）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。史丹福大學的研究人員們展示了，其新型電解液設計可以提升鋰金屬電池的性能，而鋰金屬電池是一種很有前景的技術，能夠為電動汽車、筆記本電腦和其他設備提供動力。
  • 雪域大學研發新型固態鋁離子電池或可替代鋰離子電池
    私人、公共和商業運輸(汽車、公交車、卡車)等電動汽車對電池需求不斷增加，因而人們開始研發鋁離子電池以滿足需求。而電動汽車需要大量的電力才能正常運行，因而對電池產生了高要求，導致電池必須能夠進行快速、劇烈的電化學反應，以驅動外部電力(如電機、電子設備等)。
  • 雪城大學研發新型固態鋁離子電池 或可替代鋰離子電池
    蓋世汽車訊 私人、公共和商業運輸（汽車、公交車、卡車）等電動汽車對電池需求不斷增加，因而人們開始研發鋁離子電池以滿足需求。而電動汽車需要大量的電力才能正常運行，因而對電池產生了高要求，導致電池必須能夠進行快速、劇烈的電化學反應，以驅動外部電力（如電機、電子設備等）。
  • 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
    圖片來源：洛杉磯西塞羅/史丹福大學 史丹福大學的科學家們已經確定了一種新型的固體材料，可以代替鋰離子電池中的易燃液體電解質。 科學家們稱，由鋰，硼和硫製成的低成本材料可以提高電動汽車，筆記本電腦和其他電池供電設備的安全性和性能。他們的發現發表在ACS Applied Materials＆Interfaces雜誌上的一項研究中。
  • 解析新型鋰空氣電池技術
    要提高鋰離子電池能和性能的一個主要因素是，嵌入電極的材料設計和合成以及其優化生產，其他因素包括電解質作用、隔層和電池設計與組裝等。鋰空氣電池就是在正極上使用空氣中的氧作為活性物質，因此理論上正極的能是無限的，可加大能。而負極使用了金屬鋰，理論能會比鋰離子電池更高。
  • 軟固體電解質材料可有效抑制鋰電池陽極上的枝晶生長
    外媒報導稱，美國勞倫斯·伯克利國家實驗室的科學家們已經研製出了一種新型電解質，有望極大地提升電動汽車的續航裡程。通過將鋰電池陽極中的石墨材料換成純鋰金屬，其有望在能量密度和充電速度上實現新的突破。此外由軟質和固態材料製成的新型電解質，能夠有效抑制對電池性能造成嚴重損害的枝晶的生長。表面平滑的電池陽極 X 光圖像（來自：Berkeley Lab）由於具有出色的能量密度，鋰金屬在能源界被寄予了厚望。通過持續的改善，純鋰金屬電極有望讓電池容量提升至當前的 10 倍，且極大地縮減充電所需耗費的時間。
  • 美國研發可在零下10攝氏度工作的鋰金屬電池
    鋰電池，或者說鋰金屬電池都採用鋰金屬為陽極。在過去幾十年中，可充電的鋰電池被廣泛採用，用於給玩具、可攜式消費設備和電動汽車等各種電子設備供電。據外媒報導，美國賓夕法尼亞州立大學（Pennsylvania State University）和阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）的一組研究人員最近研發了一種新型鋰金屬電池設計，可以克服上述缺點。研究人員發現，與之前研發鋰電池相比，新電池在低溫下的表現非常好。
  • 科學家研發新型半固態電解質,通過重新構想的電池組件實現
    受益於非剛性結構，這種電解質可與電極保持良好接觸，並且在操作和電池組裝過程中，不易開裂，有利於提高電池的安全性和性能。另外，NBL半固態電解質能在較大電壓範圍內保持穩定，與不同的鋰電池電極材料兼容，包括高壓正極。 制約鋰電池工業應用的主要阻礙在於安全性。因為電池中的液體有機電解質高度易燃，並且容易洩漏；另外，電池需要依賴熱性能和機械性能都不穩定的電極分離器。
  • 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
    ；電動汽車自燃的事故更是頻頻見諸報端。他們研發出了一種可以防火的超輕型鋰金屬電池電解質材料，用這種電解質製成的電池不止擁有高能量密度和出色的電化學性能，還擁有了極高的安全性能：不僅不會自燃，還會在哪怕已經著火的情況下繼續保持工作！這項成果為鋰金屬電池安全性的研究指出了全新的方向。
  • 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。
  • 來了，電池技術取得突破，將推動電動飛行和長續航電動汽車的發展
    在追求可充電電池，可以為電動汽車 (EVs) 提供數百英裡的一次充電，科學家們努力用鋰金屬陽極取代目前電動汽車電池中使用的石墨陽極。但是儘管鋰金屬使電動汽車的行駛裡程延長了 30-50%，由於鋰枝晶，它也縮短了電池的使用壽命，在許多充放電循環過程中，鋰陽極上形成的微小樹狀缺陷。更糟糕的是，如果電池中的電池與陰極接觸，樹突會使電池短路。
  • 電池不耐用？高性能鋰金屬電池讓電動車續航時間更長
    ，高性能金屬電池的研究也頗受科學家們的關注，可攜式智能器件與長續航電動汽車的發展，對可充電的二次電池的能量密度提出了更高的要求。，組成的鋰硫電池的容量高達2600 Wh kg-1，將適用於未來高能量密度需求的電動汽車。
  • 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。
  • 專家研發新型電解液:大幅提升鋰金屬電池性能
    本文轉自【快科技】；6月22日，據外媒報導，美國史丹福大學的研究人員發表在《自然-能源》(Nature Energy》上的一項新研究，展示了一種全新的電池電解液技術如何提高鋰金屬電池的性能。鋰金屬電池相比鋰離子電池更輕，並且相同的重量下能夠帶來兩倍於鋰離子的能量。因此，鋰金屬電池是一項對電動汽車及其他設備更有前途的電池技術。但鋰枝晶生長是影響鋰金屬電池安全性和穩定性的根本問題之一。
  • 特斯拉申請電解質添加劑專利 讓汽車電池壽命超過100萬英裡
    蓋世汽車訊 據外媒報導，今年，特斯拉已經在電池方面取得了很多成就，而就在年底，該公司又為一種新型化學物質申請了專利，可以讓電池性能更好、壽命更長、價格更低。此種新電池是由下一代單晶NMC（鎳鈷錳酸鋰）陰極和一種新型先進電解質製成的鋰離子電池，自此，特斯拉就一直就此種新型電池化學物質在美國和國際上申請專利。
  • 新能源汽車電池展望:固態鋰離子電池、鋰硫電池、鋰空氣電池?
    新能源汽車的發展對電池的要求越來越高，我國《節能與 新能源汽車技術路線圖》提出2030 年電池比能量達到 500 Wh/kg，目前的鋰離子電池都滿足不了此要求。加快新型動力 電池的開發勢在必行，當前主要進行研發的新一代動力電池 包括固態鋰離子電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等。
  • 密西根大學開發「無負極」鋰金屬電池 容量更高/成本更低
    蓋世汽車訊 鋰金屬電池的容量是現有標準鋰離子電池的兩倍，而且可以利用當前電池製造系統生產，但使用液態電解質的鋰金屬電池存在鋰枝晶生長問題，有可能迅速出現熱失控現象。
  • 印度研究人員研發環保可充電鋅空氣電池 或將取代鋰金屬電池
    KPIT Sparkle是一個創新平臺，可讓年輕人在汽車軟體領域內發揮作用，並為不斷發展的移動出行生態系統培養人才。研究員之一Tarandeep Singh隸屬於化學系和物理學材料部門，其認為鋅空氣電池是未來的發展方向。「在燃料價格不斷上漲，全球氣候變暖加劇的情況下，金屬空氣電池，尤其是鋅空氣電池，在市場上有巨大的發展空間，因此我們研發了該款產品，而且計劃很快將其投入市場。」