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斯坦福研發(fā)新型電解液制鋰金屬電池 可減輕電動汽車重量/延長續(xù)航
日期:2020-07-23   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:zhangchi_zrm 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
據(jù)外媒報道,美國斯坦福大學(xué)(Stanford University)的科學(xué)家發(fā)明了一種新型鋰基電解液,可能為下一代純電動汽車的發(fā)展鋪平道路。斯坦福大學(xué)的研究人員們展示了,其新型電解液設(shè)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(shù),能夠為電動汽車、筆記本電腦和其他設(shè)備提供動力。
(圖片來源:斯坦福大學(xué))

該研究的合著者Yi Cui表示:“大多數(shù)電動汽車所用的鋰離子電池的能量密度正迅速接近理論極限,因此我們的研究集中在鋰金屬電池,此種電池比鋰離子電池更輕,單位重量和體積提供的能量更多。”

廣泛用于智能手機、電動汽車等各種產(chǎn)品中的鋰離子電池有兩個電極,一個含有鋰的陰極以及一個通常由石墨制成的陽極。當(dāng)電池被使用以及在充電時,電解質(zhì)溶液就會讓鋰離子在陽極和陰極之間來回穿梭。

與如今傳統(tǒng)的鋰離子電池相比,鋰金屬電池每千克可多容納一倍的電力,只需用鋰金屬取代石墨陽極,就可以存儲更多的能量。

該研究另一名合著者Zhenan Bao表示:“對于電動汽車而言,鋰金屬電池非常有發(fā)展前景,但是其重量和體積是一個大問題。在運行過程中,鋰金屬陽極會與液體電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致陽極表面會有稱作樹突的鋰微結(jié)構(gòu)生長,從而導(dǎo)致電池起火以及失效。”

研究人員們花費了數(shù)十年的時間,以解決鋰金屬電池的樹突問題。
(圖片來源:斯坦福大學(xué))

該研究的合著者、化學(xué)系研究生Zhiao Yu表示:“電解液一直是鋰金屬電池的阿喀琉斯之踵,我們在研究中采用了有機化學(xué),以合理的方式為此類電池設(shè)計和打造穩(wěn)定的新型電池電解液。”

在該項研究中,研究人員們探討了是否可以用一種普通的、已實現(xiàn)商用的液體電解質(zhì)來解決穩(wěn)定性的問題。

Yu表示:“我們假設(shè),在電解液分子中加入氟原子會讓電解液更穩(wěn)定。氟是鋰電池電解液中廣泛使用的元素,我們利用其能夠吸引電子的能力,打造了一種新分子,讓鋰金屬陽極能夠在電解液中發(fā)揮良好的作用。”結(jié)果制成了一種新型合成化合物,縮寫為FDMB,而且可以實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

Bao表示:“電解液設(shè)計變得越來越奇特,有些雖然效果不錯,但是制造成本很高。而FDMB分子卻可以實現(xiàn)大批量生產(chǎn),而且非常便宜。”

斯坦福大學(xué)團隊在鋰金屬電池中測試了此種新型電解液,結(jié)果非常好。經(jīng)過420次充放電循環(huán),實驗電池仍保有90%的初始電量。在實驗室中,普通的鋰金屬電池在大約30次充放電循環(huán)后就會停止工作。

研究人員們還測量了,在充放電過程中,鋰離子在陽極和陰極之間轉(zhuǎn)移的效率,該特性稱為“庫倫效率(coulombic efficiency)。”

Cui表示:“如果給1000個鋰離子充電,放電之后,可以回收到多少了鋰離子呢?理想情況下,庫倫效率達到100%,就可以回收到1000個。如果要想能夠商用,電池的庫倫效率要達到99.9%。而在我們的研究中,一半電池芯的庫倫效率達到了99.52%,所有電池芯的庫倫效率達到了99.98%,表現(xiàn)令人難以置信。”

為了可能會用于消費類電子產(chǎn)品的鋰金屬電池,斯坦福大學(xué)研究小組還測試了FDMB電解液在無陽極鋰金屬軟包電池中的應(yīng)用,此種電池已經(jīng)實現(xiàn)商用,陰極會向陽極提供鋰。

該研究合著者兼材料科學(xué)與工程系研究生Hansen Wang表示:“我們的想法是只用陰極一側(cè)的鋰,以減輕電池重量。該款無陽極電池在容量下降至80%之前,可以充放電循環(huán)100次,雖然無法媲美同等容量的鋰離子電池(可以充放電循環(huán)500至1000次),但仍是性能最好的無陽極電池之一。研究結(jié)果顯示,該款電池可廣泛用于各種設(shè)備,輕型、無陽極電池將成為無人機和許多消費電子產(chǎn)品一個吸引客戶的特性。”

美國能源部正在資助一個名為Battery500的大型研究團體,以實現(xiàn)鋰金屬電池,從而讓汽車制造商能夠打造更輕、續(xù)航里程更長的電動汽車。該研究的部分資助也來自該團體,而該團體包括斯坦福大學(xué)和SLAC國家加速器實驗室。

通過改進陽極、電解質(zhì)和其他電池組件,Battery500的目標(biāo)是將鋰金屬電池的電量提高近2倍,從2016年的180瓦時/千克提升至500瓦時/千克。更高的能量-重量比,或者更高的“比能”才是解決電動汽車買家續(xù)航里程焦慮的關(guān)鍵。

Cui表示:“我們在實驗室打造的無陽極電池的比能達到了325瓦時/千克,相當(dāng)可觀。我們的下一步是與Battery500的其他研究人員合作,打造接近該團隊目標(biāo)的500瓦時/千克的電池。”

除了具有更長的循環(huán)壽命和更好的穩(wěn)定性,與傳統(tǒng)電解液相比,F(xiàn)DMB電解液也更不易燃。


 原標(biāo)題:斯坦福研發(fā)新型電解液制鋰金屬電池 可減輕電動汽車重量/延長續(xù)航
 
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來源:蓋世汽車
 
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