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美国研发新型柔软固体电解质 可改善锂金属电池增加电动汽车续航

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58京牌 为了研发能够让(EV)的续航里程达到数百英里的可充电电池,科学家们都致力于用锂金属阳极取代现有电动汽车电池中使用的石墨阳极。

图片来源:劳伦斯伯克利国家实验室

但是,虽然锂金属可以将的续航增加30%至50%,其也会缩短电池的使用寿命。因为会产生锂枝晶(树突),即电池多次充放电循环后在锂阳极上形成的微小的树状缺陷。更糟糕的是,如果树突与阴极接触,还会导致电池短路。

几十年来,研究人员一直认为坚硬的固体电解质,如陶瓷制成的电解质,最能防止树突穿透电池。不过,很多人也发现,此种方法的问题在于,其没有从一开始就阻止树突的“形成”或“成核”,就像最终会在汽车挡风玻璃上扩散的小裂缝一样。

现在,,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的研究人员与卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)合作,研发了一种新型的柔软固体电解质。此种电解质由聚合物和陶瓷制成,可以在树突扩散以导致电池失效之前,抑制树突在早期成核。

该项技术是伯克利国际实验室在其用户设施开展多学科合作,研究新想法,以组装、表征和研发用于固态电池中的材料和设备的一个示例。

固态储能技术,如采用固态电极和固态电解质的固态锂金属电池,既具有高能量密度,也具有优异的安全性,但是该技术还需要克服各种与材料和加工相关的挑战。研究人员则表示,采用新电解质研发出的锂金属电池甚至可以用于驱动电动飞机。

设计此种柔软固体电解质的关键是采用了具有微孔的软聚合物(PIM),其孔隙由纳米大小的陶瓷颗粒填充。由于该电解质仍然是一种灵活、柔软的固体材料,电池制造商可以将该电解质作为一个层压板,在阳极和电池隔膜之间制造出一卷锂箔。此类锂电极子组件(LESA)是一种很有前景的替代品,可直接取代传统的石墨阳极,让电池制造商得以采用现有的生产线生产新电池。

为了展示新款PIM复合材料电解质的树突压制性能,研究人员采用伯克利国家实验室先进光子源(Berkeley Lab’s Advanced Light Source)的X射线,创建锂金属和电解质之间界面的3D图像,并将在高电流下长达16个小时的锂电镀和锂剥离过程实现可视化。当新的PIM复合电解质出现时,可以观察到锂在连续平稳地增长;当没有此种电解质时,界面显示出树突开始早期生长的迹象。

上述结果和其他数据都证实了锂金属电沉积物理模型的预测,该模型既考虑到了固体电解质的化学特性,也考虑到了机械特性。

研究人员表示:“虽然电动汽车和电动垂直起降飞机(eVTOL)等具有独特的功率要求,但是PIM复合固体电解质技术是多功能的,可以在高功率下工作。”

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