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美国研发可在零下10摄氏度工作的锂金属电池

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58京牌 锂电池,或者说锂金属电池都采用锂金属为阳极。在过去几十年中,可充电的锂电池被广泛采用,用于给玩具、便携式消费设备和等各种电子设备供电。

(图片来源:宾夕法尼亚州立大学)

但是,此类电池通常在室温下才能实现可靠性能,当温度低于零下10摄氏度时,其能源效率、功率和循环寿命就会显著下降。在低温下不能很好工作是此类电池的一大缺点,极大地限制其用于特别寒冷的气候地区。造成这一缺点的主要原因在于,在温度低于零下10摄氏度时,固体电解质间相(SEI)会变得不稳定,导致电池阳极在锂电镀时出现树突。

,美国宾夕法尼亚州立大学(Pennsylvania State University)和阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的一组研究人员最近研发了一种新型锂金属电池设计,可以克服上述缺点。研究人员发现,与之前研发锂电池相比,新电池在低温下的表现非常好。

最开始,研究人员在低温下仔细检查了锂金属电池,以便更好地了解影响其性能的因素。他们观察到,气温在零下15摄氏度时,电池的SEI(来源于传统电解质)会结晶度很高且不均匀,从而极大地限制了氟化锂纳米盐等被动SEI成分的形成,导致表面钝化不良、锂腐蚀以及阳极上生长树突。

在室温下,添加其它层保护阳极、利用替代性电解质或引入锂主电极可以防止此类影响。但是在低温下,控制SEI纳米结构则更具挑战性,会导致电池运行不稳定。因此,研究人员设计了一种纳米级被动SEI,可以让锂金属阳极在低温下稳定运行。

研究人员提出,可通过在铜电流集电器表面组装1、3苯二磺酰氟单分子层来控制SEI纳米结构以及锂电池中的锂成核。新引入的电化学活性单分子层(EAM)改变了界面的化学环境,促进锂表面形成氟化锂(LiF)。

通过改变电池界面的化学环境,研究人员新推出的设计策略改变了电解质分解的途径和动态情况,进而导致钝化质量得到提升、不同SEI的产生。更具体地说,该单分子层在铜电流集电器上形成了亲锂阴离子。当该界面的锂离子浓度较低时,可以引导锂成核和生长。

在低温情况下,此种设计策略导致多层SEI形成,此种多层的SEI由富含氟化锂的内相和非晶态外层组成。此外,此种被动多层SEI与传统锂金属电池中的非被动SEI有很大的不同,传统锂金属的SEI层在低温时,结晶度很高,是以Li2CO3为主的结构。

在测试中,研究人员采用新设计测量打造的新电池,发现在低温下也实现了很好的性能。更具体地说,此种方法成功地抑制了锂的电偶腐蚀以及自放电,让锂在零下60摄氏度至45摄氏度的所有温度下都可稳定沉积。

研究人员发现,用他们的方法制造出容量为2.0 mAh的锂/ LiCoO2(含锂二氧化钴)电池,可在零下15摄氏度实现200次充放电循环,充满电需要45分钟。未来,此种设计策略可能会为新型节能锂电池的发展铺平道路,让电池可以在温度低于零下10摄氏度或零下15摄氏度的国家或地区可靠地工作。

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