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明轮效应或将提升固态电池的安全性和循环效率

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(图片来源:阿贡官网)

58京牌 随着智能手机、笔记本电脑、汽车和电网的发展,对电池储能的需求不断增长。固态电池的安全性更高、使用寿命更长,被视为最有前途的下一代技术之一。,作为美国能源部阿贡国家实验室领导的能源创新中心,能源存储研究联合中心(JCESR)在固态电池方面取得重大进展。固态电池面临的一个主要挑战在于,如何提升固态电解质中锂离子的扩散率。因为比起传统锂离子电池中用的液体有机电解质,它的扩散率通常较慢。

加拿大滑铁卢大学的主要教授Linda Nazar是JCESR团队的合作成员之一。Nazar教授及其博士后研究助理Zhizhen Zhang展示了,如何通过明轮明轮效应(paddlewheel effect),即原子的协调运动,促进锂离子在固态电池中的流动。据Nazar介绍,固态电池使用固体电解质,而不是通常的液体有机电解质,有望成为锂离子电池的替代品。Nazar说:“它们具有成为更安全、更持久电池的潜力,可以提供更高的能量密度,这对各种电化学储能应用很重要,比如汽车、机器人、无人机等等。作为固态电池中最重要的组成部分,在很大程度上,固态电解质决定了电池的安全性和循环稳定性。”

对于当前的锂离子电池来说,热失控可能导致电池发生火灾和爆炸。考虑到这些危险因素,JCESR尝试用固体电解质取代电池内部的液体有机电解质。少数固态电解质的离子电导率,与液态有机电解质一样高,因此备受关注。同时,JCESR正在探索一种可以显著加速离子扩散的现象:在固态电解质框架中,正常静止的阴离子会发生旋转运动,帮助驱动锂阳离子。Nazar说:“事实上,组成固体框架的阴离子‘构建块’并不是不动的,而是在经历旋转运动。我们的研究表明,在固体框架内,阴离子动态原理能促进锂离子移动。即使在室温下,通过调整框架也可以“启动”阴离子动态反应,并使其通过明轮效应与阳离子扩散强烈耦合。这有点类似于有多人通过的旋转门。”

虽然新型固体电解质的研究仍处于发展阶段,但相关进展令人鼓舞。JCESR主管George Crabtree表示,这项突破显著提高锂离子电池的安全性和部署,或将改变游戏规则。Crabtree称:“如果能找到一种固态电解质,保证锂离子快速移动,它将替代液态有机电解质,并使电池立即摆脱热失控反应,这是目前锂离子电池起火的主要原因。单就安全优势而言,在手机、笔记本电脑、录像机、汽车和电网等领域,这种电解质将会拥有广阔的市场。”

整个JCESR团队都对固态电池充满期待。密歇根大学和麻省理工学院的其他合作伙伴,也在探讨固体电解质及“明轮效应”。Crabtree说,固态电池是工业上最有前途和最受欢迎的进步之一。Crabtree称:“JCESR希望从原子和分子水平上了解电池行为的起源。有了这些知识,我们可以逐个原子、逐个分子地从头开始构建电池,让每个原子和分子都在构建目标电池过程中发挥指定的作用。明轮效应就是其中一个例子。此项研究处于固态电解质研究的前沿,我们想把这方面的知识应用到商业领域。”

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