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斯坦福研发新型电解液制锂金属电池 可减轻电动汽车重量/延长续航

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58京牌 ,美国斯坦福大学(Stanford University)的科学家发明了一种新型锂基电解液,可能为下一代纯的发展铺平道路。斯坦福大学的研究人员们展示了,其新型电解液设计可以提升锂金属电池的性能,而锂金属电池是一种很有前景的技术,能够为电动汽车、笔记本电脑和其他设备提供动力。

(图片来源:斯坦福大学)

该研究的合著者Yi Cui表示:“大多数所用的锂离子电池的能量密度正迅速接近理论极限,因此我们的研究集中在锂金属电池,此种电池比锂离子电池更轻,单位重量和体积提供的能量更多。”

广泛用于智能手机、电动汽车等各种产品中的锂离子电池有两个电极,一个含有锂的阴极以及一个通常由石墨制成的阳极。当电池被使用以及在充电时,电解质溶液就会让锂离子在阳极和阴极之间来回穿梭。

与如今传统的锂离子电池相比,锂金属电池每千克可多容纳一倍的电力,只需用锂金属取代石墨阳极,就可以存储更多的能量。

该研究另一名合著者Zhenan Bao表示:“对于电动汽车而言,锂金属电池非常有发展前景,但是其重量和体积是一个大问题。在运行过程中,锂金属阳极会与液体电解质发生反应,导致阳极表面会有称作树突的锂微结构生长,从而导致电池起火以及失效。”

研究人员们花费了数十年的时间,以解决锂金属电池的树突问题。

(图片来源:斯坦福大学)

该研究的合著者、化学系研究生Zhiao Yu表示:“电解液一直是锂金属电池的阿喀琉斯之踵,我们在研究中采用了有机化学,以合理的方式为此类电池设计和打造稳定的新型电池电解液。”

在该项研究中,研究人员们探讨了是否可以用一种普通的、已实现商用的液体电解质来解决稳定性的问题。

Yu表示:“我们假设,在电解液分子中加入氟原子会让电解液更稳定。氟是锂电池电解液中广泛使用的元素,我们利用其能够吸引电子的能力,打造了一种新分子,让锂金属阳极能够在电解液中发挥良好的作用。”结果制成了一种新型合成化合物,缩写为FDMB,而且可以实现批量生产。

Bao表示:“电解液设计变得越来越奇特,有些虽然效果不错,但是制造成本很高。而FDMB分子却可以实现大批量生产,而且非常便宜。”

斯坦福大学团队在锂金属电池中测试了此种新型电解液,结果非常好。经过420次充放电循环,实验电池仍保有90%的初始电量。在实验室中,普通的锂金属电池在大约30次充放电循环后就会停止工作。

研究人员们还测量了,在充放电过程中,锂离子在阳极和阴极之间转移的效率,该特性称为“库伦效率(coulombic efficiency)。”

Cui表示:“如果给1000个锂离子充电,放电之后,可以回收到多少了锂离子呢?理想情况下,库伦效率达到100%,就可以回收到1000个。如果要想能够商用,电池的库伦效率要达到99.9%。而在我们的研究中,一半电池芯的库伦效率达到了99.52%,所有电池芯的库伦效率达到了99.98%,表现令人难以置信。”

为了可能会用于消费类电子产品的锂金属电池,斯坦福大学研究小组还测试了FDMB电解液在无阳极锂金属软包电池中的应用,此种电池已经实现商用,阴极会向阳极提供锂。

该研究合著者兼材料科学与工程系研究生Hansen Wang表示:“我们的想法是只用阴极一侧的锂,以减轻电池重量。该款无阳极电池在容量下降至80%之前,可以充放电循环100次,虽然无法媲美同等容量的锂离子电池(可以充放电循环500至1000次),但仍是性能最好的无阳极电池之一。研究结果显示,该款电池可广泛用于各种设备,轻型、无阳极电池将成为无人机和许多消费电子产品一个吸引客户的特性。”

美国能源部正在资助一个名为Battery500的大型研究团体,以实现锂金属电池,从而让汽车制造商能够打造更轻、续航里程更长的电动汽车。该研究的部分资助也来自该团体,而该团体包括斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室。

通过改进阳极、电解质和其他电池组件,Battery500的目标是将锂金属电池的电量提高近2倍,从2016年的180瓦时/千克提升至500瓦时/千克。更高的能量-重量比,或者更高的“比能”才是解决电动汽车买家续航里程焦虑的关键。

Cui表示:“我们在实验室打造的无阳极电池的比能达到了325瓦时/千克,相当可观。我们的下一步是与Battery500的其他研究人员合作,打造接近该团队目标的500瓦时/千克的电池。”

除了具有更长的循环寿命和更好的稳定性,与传统电解液相比,FDMB电解液也更不易燃。

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