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新型负极材料问世 让电池在20秒内提供超过40%的容量

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58京牌 ,加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)的科学家发现一种新负极材料,可以使锂离子电池在数分钟内安全充电,并且可以承受数千次的充放电循环。这种新型负极名为无序岩盐,由地球上储量丰富的锂、钒和氧原子组成,其排列方式与厨房里用的普通食盐相似,但是更加随机。在需要高能量密度和高功率的商业应用领域,如、真空吸尘器或电钻,这种材料前景广阔。

图片来源:UCS官网

这项研究由Ping Liu教授和Shyue Ping Ong教授实验室的纳米工程师共同领导。

目前,锂离子电池常用的负极材料有两种。最常见的是石墨负极,它的能量密度极高,单次充电可以支持行驶数百英里。然而,由于锂金属电镀过程,如果石墨负极充电速度过快,会容易发生火灾和爆炸。石墨负极的替代品——钛酸锂负极更加安全,可以快速充电,但是能量密度显著降低,导致电池需要更频繁地充电。

研究人员发现的新型无序岩盐负极Li3V2O5,处于重要的中间位置:它比石墨更安全,但是至少可以比钛酸锂多提供71%的能量。“它的容量和能量比石墨稍低,但充电速度更快,更安全,使用寿命更长。而且,它具有更低的电压,与目前使用的商业化快速充电钛酸锂负极相比,能量密度得到大大地提高。”主要研究人员Haodong Liu说,“因此,使用这种材料,我们可以制造出充电快、寿命长、安全的电池,而且不会牺牲太多的能量密度。”

为了将这一发现商业化,研究人员成立了Tyfast公司。这家初创公司将电动巴士和电动工具定为首要市场,因为Li3V2O5无序岩盐很适合用于便于充电的设备。研究人员计划继续研发此种锂钒氧化物负极材料,同时优化其他电池组件,以开发商业上可行的整个电池。

Ping Liu表示:“很长一段时间以来,电池领域一直在寻找一种电位略高于石墨的负极材料,以实现安全、可快速充电的锂离子电池。这种材料填补了重要的知识和应用空白,并且可以作为当今锂离子电池制造工艺的直接替代解决方案,我们对它的商业潜力感到兴奋。”

为什么要尝试这种材料?

六年前,研究人员开始尝试用无序岩盐作为电池的负极。加州大学圣地亚哥分校研究小组的Haodong Liu称:“当人们将其作为负极时,该材料的电压需要为1.5V才能放电,但是,当我们观察这种负极材料在电压为1.5V时的结构时,认为这种材料有一种特殊的结构,可以容纳更多的锂离子。这意味着它可以作为负极在更低的电压下工作。”

在这项研究中,研究团队发现,他们的无序岩盐负极可以在0.6V的平均电压下,可逆循环两种锂离子。这要高于石墨负极的0.1V,在高充电速率下,取消锂金属电镀过程可以使电池更安全,但是,低于钛酸锂嵌锂时的电压——1.5V,因此可以存储更多的能量。

研究人员表明,Li3V2O5负极的充放电循环次数可超过6000次,而容量衰减可以忽略不计,并且可以快速充放电能,在20秒内提供超过40%的容量。由于独特的低能量屏障再分配嵌锂机制,所以电压低,而且能量传输速率高。

为了了解无序岩盐Li3V2O5负极为何可以良好运行,来自Shyue Ping Ong教授材料虚拟实验室的博士后学者Zhuoying Zhu进行了理论计算。他表示:“我们发现,Li3V2O5通过一种不同于其它电极材料的充电机制工作。由于锂离子以某种方式重新排列,所以电压低,而且锂迅速扩散。”

Ong表示:“我们相信,还有其它电极材料等着被发现,它们具有类似的机制。”

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