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日本开发新型无负极锂金属电池 能量密度高/寿命长

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58京牌 锂金属电池(LMB)是一种新型锂基可充电电池,由固态金属代替锂离子而制成,被视为最有前途的高能量密度可充电电池技术之一。然而,这种电池也存在一些局限性,如安全问题等。

(图片来源:phys.org)

近年来,研究人员尝试通过无负极电芯设计来克服这些障碍,以提高锂金属电池的能量密度和安全性。,在一项新研究中,日本国家工业科学技术研究所(AIST)的研究人员基于使用Li2O牺牲剂,开发出具有高能量密度和长寿命的新型无负极锂电池。

无负极全电芯电池架构,通常基于带有裸负极铜集流器的全锂化正极。值得一提的是,无负极锂电池的重量能量密度和体积能量密度,均可扩展至最大极限。与更传统的LMB设计相比,无负极电芯架构还具有其他优势,包括成本更低、安全性更高和使电池组装过程更简单等。

为了充分释放无负极锂金属电池的潜力,研究人员首先要了解,如何实现锂金属电镀的可逆性/稳定性。许多人通过工程设计和选择更有利的电解质来解决这一问题,但大多以失败告终。还有一些人尝试使用盐或添加剂来改善锂金属电镀/剥离的可逆性。AIST的研究人员建议,使用Li2O作为牺牲剂,将其预加载至LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2表面。

研究人员表示:“实现高锂可逆性具有挑战性,尤其是考虑到电芯配置中有限的锂储存(通常为零锂过量)。在这项研究中,我们在LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极上引入 Li 2 O ,作为预加载牺牲剂,以提供额外的锂源。在长期循环过程中,这可以抵消锂在初始无负极电芯中的不可逆损耗。”

除了使用Li2O 作为牺牲剂,研究人员还提议,使用氟丙基醚添加剂来中和Li2O氧化过程中释放的亲核O2-,并防止由于在电池正极表面涂覆LiF基电解质而产生的气态O2的额外演变。“我们发现,通过Li2O氧化释放的O2-物质,可以被氟化醚添加剂协同中和。这会导致在正极/电解质界面形成一层LiF基膜,使正极表面钝化,并抑制醚溶剂的有害氧化分解。”

基于这种设计,该所研究人员制造出长寿命2.46 Ah初始无负极软包电芯。该电芯的重量能量密度为320 Wh kg-1,经过300个运行周期后,可保持80%的容量。

该团队提出的无负极设计,或将有助于解决锂金属电池的一些常见问题,推动开发更安全、能量密度更高、寿命更长的锂基充电电池。

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