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新型超薄三层陶瓷电解质 提高固态电池安全性和充电速度

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(图源:spectrum)

58京牌 多年来,专家们一直将固态电池视为理想的下一代电池技术。这种电池采用的是固态电解质,而不是易燃液体电解质,比目前的锂离子电池更加安全。而且,固态电池用锂金属负极取代石墨负极,所以寿命更长,重量更轻,可以达到10倍的能量密度。现在,福特、现代、日产、丰田和大众等公司纷纷投资研究固态电池。

,Ion Storage Systems公司推出坚固、致密的陶瓷电解质。这种电解质只有10微米厚,与目前锂离子电池中使用的塑料隔板厚度相同;并且与当前的液体电解质一样,可以传导锂离子。该公司首席执行官Eric Wachsman称,它克服了固态电池的两个关键问题:电解质电阻高和载流量低。

此类电解质共分三层,中间一层是薄且致密的氧化锂陶瓷(化学式为Li7La3Zr2O12),两侧是稍厚一点的多孔陶瓷层。多孔陶瓷层上的超薄氧化铝涂层,有助于进一步降低电阻。

致密的中间层可以增加强度,防止陶瓷破碎;而且能够防止产生锂枝晶,让电池更加安全。另外,多孔氧化铝涂层允许锂离子快速进入电解质。现在,锂离子电池中所产生的锂枝晶,能够刺穿薄薄的塑料隔板,造成短路风险。

Wachsman表示:“独特的结构和界面处理方式,有利于降低电阻。高电阻一直是固态电池的难题。”因为锂离子在电极和电解质之间传输顺畅,所以,电池的电流密度高达10mA/Cm2。而且,在几乎不产生枝晶的情况下,电池可以实现快速充电,“大约需要5到10分钟。对固体电解质来说,这是前所未有的。”另外,该公司原型电池的能量密度约为300Wh/kg。目前,商用锂离子电池的最大能量密度为250wh /kg。

Wachsman和马里兰大学能源创新研究所(University of Maryland Energy Innovation Institute)的研究人员,利用名为流延成型(tape casting)的传统陶瓷制造技术,构建电解质结构,并进行高温烧结。研究团队之所以选择氧化物基陶瓷,而不是硫化物基陶瓷或玻璃、塑料电解质,是因为在最大电压范围内,氧化物运行状况良好,而且可以与锂金属负极和各类正极兼容。

目前,该公司正在其试点生产线上生产原型电池,现在已有几家客户有意合作。Wachsman称,如果进行大规模商业化生产,电池的成本能满足美国能源部$100/kWh的要求。

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