鉅大鋰電 | 點擊量:0次 | 2021年12月16日
日本科學家證明保持電解質干凈無雜質可以提高固態電池容量
東京工業大學、東北大學、國立先進工業科學技術研究所、日本工業大學的科學家通過實驗證明,清潔的電解液/電極界面是實現大容量固態鋰電池的關鍵。他們的發現為改進電池設計鋪平了道路,提高了移動設備和電動汽車的容量、穩定性和安全性。
液態鋰離子電池無處不在,存在于大多數日常移動設備中。雖然液基電池具有相當大的優勢,但也存在著顯著的風險。最近幾年,有報道稱智能手機因設計錯誤起火,導致電池的液體電解質泄漏起火,公眾對此已經很清楚。
制造成本、耐用性和容量等其他缺點導致科學家們開始研究另一種技術:固態鋰電池(SSLBs)。SSLBs包括在充電和放電期間交換鋰離子的固體電極和固體電解質。它們更高的能量密度和安全性使得SSLBs成為非常強大的能源。
然而,仍然有許多技術挑戰阻礙了SSLBs的商業化。在目前的研究中,研究人員進行了一系列的實驗,并獲得了將SSLBs的性能提升到一個新水平的見解。領導這項研究的東京理工大學的TaroHitosugi教授解釋了他們的動機:“LiNi0.5Mn1.5O4(LNMO)是一種很有前途的SSLBs正極材料,因為它可以產生相對較高的電壓。在這項研究中,我們展示了電池在2.9和4.7V電壓下的運行,同時實現了大容量、穩定循環和電解質/電極界面的低電阻。”
以往的研究表明,在LNMO基SSLBs中,產生清潔的電解液/電極界面是實現低界面電阻和快速充電的關鍵。科學家們還注意到,鋰離子在制造時會自發地從Li3PO4(LPO)電解質遷移到LNMO層,在LNMO中形成LiNi0.5Mn1.5O4(L2NMO)相,其分布和對電池性能的影響未知。
研究小組調查了L2NMO相的情況,分析了Li0Ni0.5Mn1.5O4(L0NMO)和L2NMO相在充放電過程中晶體結構的變化。他們還研究了L2NMO在真空中制造的清潔LPO/LNMO界面上的初始分布,以及電極厚度的影響。
令人驚訝的是,干凈的界面促進了鋰在SSLBs充放電過程中的插層和脫層。因此,具有干凈接口的SSLBs的容量是傳統LNMO基電池的兩倍。此外,本研究首次發現了SSLBs中L0NMO相與L2NMO相之間穩定的可逆反應。
東北大學助理教授HideyukiKawasoko是這項研究的主要作者,他說:“我們的研究結果表明,形成一個無污染、清潔的LPO/LNMO界面是提高SSLBs容量的關鍵,同時確保快速充電的低界面電阻。”
除了移動設備,SSLBs還可以在電動汽車中找到一個家,因為電動汽車的成本和電池耐久性是其廣泛商業化的主要障礙。這項研究的結果為未來的SSLB設計提供了重要的啟示,并為從化石燃料向更環保的交通方式過渡鋪平了道路。密切關注SSLBs的出現!
固態電池將成為趨勢
自1991年商業化以來,鋰離子電池已在世界范圍內獲得成功。但是,這不能掩蓋它們在安全性,性能,外形尺寸和成本方面的固有局限性。
當前大多數鋰離子技術都使用液體電解質,并在有機溶劑中添加鋰鹽,例如LiPF6,LiBF4或LiClO4。然而,由于電解質在負極上的分解而導致的固體電解質界面限制了有效電導率。此外,液體電解質需要昂貴的膜來分隔陰極和陽極,以及不滲透的外殼以避免泄漏。因此,這些電池的尺寸和設計自由度受到限制。此外,液體電解質使用易燃和腐蝕性液體,因此存在安全和健康問題。三星的Firegate特別強調了使用易燃液體電解質時,即使是大公司也面臨的風險。
當前的高端鋰離子電池在電池單元級別的能量密度可以達到700Wh/L以上,電動汽車的最大行駛范圍約為500Km。改進的高鎳陰極材料可以進一步推動能量密度,但是活性材料的特性可能會產生閾值。
固態電解質技術方法
固態電池可以改變游戲規則
固態電解質可以整合性能更好的材料,例如鋰金屬和高壓陰極材料。然而,已經觀察到,早期的固態電池可以包含相似類型的活性電極材料,其中液體電解質被固態電解質代替。在這種情況下,就能量密度而言,固態電池沒有比液態鋰離子電池明顯的優勢。
但是,在這種情況下,固態電池仍可提供價值。由于電極和電解質都是固態的,因此固體電解質也可以充當隔板,從而由于消除了某些組件(例如隔板和外殼)而減少了體積和重量。它們可以使電池組中的電池單元更緊湊地布置。例如,雙極布置可在電池單元級別實現更高的電壓和容量。簡化的連接為電池組中的更多電池提供了額外的空間。
另外,去除易燃液體電解質可以成為更安全,持久的電池的一種途徑,因為它們對溫度變化和使用過程中發生的物理損壞具有更高的抵抗力。固態電池可以在降解之前處理更多的充電/放電循環,從而保證更長的使用壽命。更好的安全性意味著電池模塊/電池組中更少的安全監控電子設備。
因此,即使最初幾代的固態電池也可以具有與常規鋰離子電池相似或什至更低的能量密度,電池組中可用的能量可以與后者相當或更高。
由于固體電解質可以提供更大的電化學窗口,因此可以使用高壓陰極材料。此外,高能量密度的鋰金屬陽極可進一步將能量密度推至1,000Wh/L以上。這些功能可以進一步改變固態電池的游戲規則。
競爭技術使決策變得困難
對各種固態電池公司的投資反映了固態電池的巨大潛力。但是,固態電池并非僅基于單一技術。相反,行業中有多種技術方法可用。固態電解質可大致分為三類:有機類型,無機類型和復合類型。在無機類別中,LISICON類,銀輝石,石榴石,NASICON類,鈣鈦礦,LiPON,氫化鋰和鹵化鋰被認為是8種流行類型。類LISICON和類銀輝石屬于硫化物體系,而石榴石,類NASICON,鈣鈦礦和LiPON則基于氧化物體系。
到目前為止,聚合物,氧化物和硫化物系統之間的競爭尚不清楚,通常看到電池公司嘗試多種方法。聚合物系統易于加工且最接近商業化,而相對較高的工作溫度,較低的抗氧化電位和較差的穩定性則表明了挑戰。硫化物電解質具有高離子電導率,較低的加工溫度,寬的電化學穩定性窗口等優點。許多功能使它們具有吸引力,被許多人視為最終選擇。然而,制造的困難以及在該過程中可能產生的有毒副產物使得商業化相對緩慢。氧化物體系穩定且安全,而較高的界面電阻和較高的加工溫度通常顯示出一些困難。










