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中外研究人员合作开发新电解质 推动新一代锂离子电池发展

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58京牌 ,代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)与清华大学的研究人员合作,首次成功制造了一种可与锂金属负极良好匹配的电解质,朝着研制新型锂离子电池迈出了重要一步,这种电池可用于、智能手机和笔记本电脑等领域。从理论上讲,与目前的电池相比,这种材料可以获得两到三倍的能量密度。

图片来源:Delft官网

锂离子电池充放电时,电解质会缓慢地分解,所产生的废物在电解质和电极之间的界面积累。久而久之,充电的次数会越来越多。

目前,商用电池主要采用碳酸盐作为电解质。在现有锂离子电池中,这些含有碳和氧的化合物可以良好运行,电解质分解非常缓慢,因此,锂离子电池可以用上好几年。但是,研究带头人Marnix Wagemaker表示:“如果你想增加电池的能量密度,必须使用完全不同的材料。”比起现在的石墨负极,锂金属负极储存的锂离子更多。锂离子越多,能量密度就越高,电池的续航时间也就越长。

从理论上讲,锂金属负极电池的锂容量可以达到现有电池的十倍,问题是没有好的电解质。目前广泛使用的电解质在与锂金属负极结合时分解得太快。最近,代尔夫特理工大学的研究人员开发了一种基于酰胺类化合物的电解质。这种电解质可与锂金属负极良好兼容,这是迈向新一代锂离子电池的重要一步。

保护作用

这种新电解质在电池内部也会发生衰变。Wagemaker说:“和其它电解质一样,我们的电解质由于与电极反应而分解。不同的是,这种衰变对我们的电解质有积极的影响。在电极和新电解质之间积累的废物,实际上具有保护作用。它们会形成一层保护层,阻止进一步发生有害反应。此外,离子很容易通过这一层体,所以电池可以继续正常工作很长一段时间。电池仍在衰变,但以一种非常可控的方式。”

电解质中的物质种类和数量各不相同。为了找到合适的化学混合物,研究人员采用基于量子力学定律和“化学直觉”的先进计算方法,打造新型电解质配方。研究人员表示:“我们知道,酰胺可能会引发一种反应,形成保护层。通过我们的理论计算,我们能够进一步预测什么样的混合物运转良好。”

追踪锂离子

Wagemaker利用代尔夫特反应堆研究所的科学仪器来研究电池。该仪器能够利用中子实时跟踪电解液中的锂离子,这种技术称为中子深度剖面分析。Wagemaker称:“我们能够清楚地看到,随着时间的推移,保护层如何对锂金属的构成产生积极影响,我们也看到了保护层怎样提高电池寿命。”

虽然研究结果很喜人,但是在这种电池投入市场之前,还有很多工作要做。Wagemaker满怀希望地表示:“我们需要改进负极。但是,预计我们很快就能制造出实验室电池,它的能量密度比目前电池要高出2到3倍。这种电池可能还达不到几千次充放电循环,但数百次充放电肯定是可以实现的。”

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