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美國研發可改善鋰金屬電池 增加電動汽車續航

作者:網絡時間:2020-10-10 08:24 次瀏覽

信息摘要:

為了研發能夠讓電動汽車續航里程,科學家們都致力于用鋰金屬陽極取代現有電動汽車電池中使用的石墨陽極。...

為了研發能夠讓電動汽車(EV)的續航里程達到數百英里的可充電電池,科學家們都致力于用鋰金屬陽極取代現有電動汽車電池中使用的石墨陽極。
 
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后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,如陶瓷制成的電解質,最能防止樹突穿透電池。不過,很多人也發現,此種方法的問題在于,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,據外媒報道,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制成,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、表征和研發用于固態電池中的材料和設備的一個示例。固態儲能技術,如采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,采用新電解質研發出的鋰金屬電池甚至可以用于驅動電動飛機。設計此種柔軟固體電解質的關鍵是采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。由于該電解質仍然是一種靈活、柔軟的固體材料,電池制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制造出一卷鋰箔。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,讓電池制造商得以采用現有的生產線生產新電池。
 
為了展示新款PIM復合材料電解質的樹突壓制性能,研究人員采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,并將在高電流下長達16個小時的鋰電鍍和鋰剝離過程實現可視化。當新的PIM復合電解質出現時,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復合固體電解質技術是多功能的,可以在高功率下工作。”
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