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原标题:可以使电池寿命翻倍,美国研发全新全固态锂硫

浏览次数:151 时间:2019-10-12

电池变“砖头” 事故化无形

据报道,美国能源部下属的橡树岭国家实验室的科学家设计出了一种全新的全固态锂硫电池,其能量密度约为目前电子设备中广泛使用的锂离子电池的4倍,且成本更低廉。相关研究发表在本周出版的世界顶尖化学期刊《德国应用化学国际版》上。 该研究的领导者梁诚督表示:“新电池中用到的电解质也是固体,这种设计思路完全颠覆了已延续150年到200年的两个电极加一堆电解液的固有电池概念,也解决了其他化学家一直担心的易燃问题。” 几十年来,科学家们一直很看好锂硫电池,其比锂离子电池效率高且成本低。但寿命短是其最大弱点,因此一直未被商用。另外,电池内使用液体电解质也成为科学家们的桎梏。一方面,液体电解质会通过溶解多硫化物从而帮助锂离子在电池中传导。但不利的是,这一溶解过程会使电池过早地被损坏。 现在,该ORNL研究团队的新设计方法清除了这些障碍。首先,他们合成出了一种富含硫的新物质并将其作为电池的阴极,其能传导锂离子和传统电池阴极中使用的硫金属锂化物,随后,再将其同由锂制成的阳极以及固体电解质(也由ORNL的研究人员研发而成)结合在一起,制造出了这种能量密度大的全固态电池。 梁诚督表示:“电解质由液体变成固体这一转变消除了硫溶解的问题,而且,由于液体电解质容易同锂金属发生反应,所以,新电池使用固体电解质后安全性也更高。另外,新锂硫电池中使用的硫是处理石油后剩下的副产品,来源丰富且成本低廉,也能存储更多能量,这就使新电池具有成本低廉、能量密度大等优点。” 测试结果表明,新电池在60摄氏度的温度下,经过300次充放电循环后,电容可以维持在1200毫安小时/克,而传统锂离子电池的平均电容为140至170毫安小时/克。梁诚督表示,因为锂硫电池携带的电压为锂离子电池的一半,平均电容为其8倍,所以,新电池的能量密度约为传统锂离子电池的4倍。 尽管新电池仍然处于演示阶段,但研究人员希望尽快将这项研究由实验室推向商业应用,他们正在为此技术申请专利。 早在上世纪90年代,就有人开始研发锂硫电池,最近几年,国内外的相关研究工作更为活跃。较高的比容量和能量密度,意味着锂硫电池的单体重量和体积更小,放电能力更强,且成本低廉,这一切看似都与现今电动汽车发展的需求相当契合。然而毋庸置疑的是,其研究还有较长的路要走,比如还需要进一步增加循环次数,并且该电池的能量密度和功率密度还需要进一步的提升才能满足电动汽车市场的需要。

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我们使用的智能手机、平板电脑和笔记本电脑中大多使用的都是锂离子电池,这类电池使用液体作为电解液,但这些液体电解质是非常易燃的,从这方面来考虑,固体电解质可能会更安全,但固体电解质本身具有不规律性,在使用上需要相当谨慎。麻省理工学院的研究人员发现了一种双锂离子电池,该电池把液态和固态电解质相结合,通过使用平滑固体电解质表面来防止液态电解液短路起火。

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(图片来源:阿克伦大学)

电池中的电解质是介于正极和负极之间的材料。当电池充电或者放电时,电离子从一个电极通过电解质传到另一个电极中。而通常使用的液体电解质是易燃的,并且它们也很容易形成树突,树突会造成电池短路从而破坏电池。为了解决这个问题,研究人员试图使用固体电解质,例如特制的陶瓷材料,虽然这可以消除短路的可燃性风险,但实际测试表明,固体电解质的运行及其不规律,它们会比预期更容易发生短路。

图片来源:Joseph Kaczmarek/AP Photo

盖世汽车讯 尽管电动汽车非常先进,但是其动力来源是一个致命弱点。电动汽车中常用的电池类型之一便是锂离子电池,但是因碰撞或是其他对汽车施加的冲击会导致锂离子电池起火或爆炸,冲击会导致电极内部短路,因“热失控”,小火会蔓延至整个电池以及汽车的其他部分。

左边是粗糙固体电解质表面 右图是平滑固体电解质表面

最近的车祸和航空事故清楚地表明:为大多数便携设备和电动汽车提供动力的锂离子电池具有危险性。如果被压碎或扭曲,电池内分隔电极的多孔塑料薄膜会瞬间断裂并导致短路,引燃锂电解液。

美国阿克伦大学高分子科学副教授Yu Zhu博士表示:“尽管大家在电池热管理方面已经做出了很大的努力,但是最近电动汽车电池起火和爆炸的事故还是让公众很担忧。在大多数情况,电池只有受到外部冲击或撞击等不正常的情况下,才会着火。”

早前研究人员对固体电解质性质有了错误的理解,他们认为固体电解质的坚固性决定树突是否会产生,但MIT研究人员发现电解质的平滑度才是防止树突的重要因素。MIT研究人员认为电解质的固定性并不能决定电池树突是否能够渗透到电解质中。研究表明,电解质表面的光滑度是防止树突的重要因素,电解质表面上的细小划痕可能为树突的产生奠定基础。使用光滑的固体电解质可以消除电解质可燃性的问题,并且同样可以使用固体锂金属作为电池电极,液固结合电解质潜在地使锂离子电池的电池容量再增加一倍,目前这项电池技术还正在深入研究当中,一旦可行这将打破电动车和便携式设备的续航瓶颈。

现在,借鉴儿童作家“苏斯博士”的想法,美国田纳西州橡树岭国家实验室化学家Gabriel Veith和同事或许找到了一个解决方案:欧不裂。

Zhu博士和其高分子科学和高分子工程学研究生团队合作,通过创造一个“剪切增稠”电解质(一种能够在冲击下变得更加浓稠的物质),以提升锂离子电池的安全性。该电解质放置在阳极和阴极之间,使阳极和阴极能够抗击冲击,因而在任何碰撞事故下,都不会引起电池起火或爆炸。而在正常情况下,该新型电解质会保持柔软状态。

如果用足够的力量撞击,这种由玉米淀粉和水组成的液体混合物(得名于一本经典的美国儿童读物)的表现会像固体一样。在为自己的孩子混合欧不裂时,Veith有了个想法:用二氧化硅取代玉米淀粉,将其混合到锂离子电池的电解液中从而产生变化,在撞击时从易燃的液体变为惰性固体。用化学术语说,它被称为剪切增稠液。

Zhu博士表示:“电动汽车中锂离子电池的阳极和阴极被一个非常柔软的薄膜以及液体电解质分离开,只将液体电解质替换成固体电解质仍是一项极具挑战性的任务,因为此两种电解质都是多孔结构,需要液体填充孔隙。因此,我们在正常情况下,仍使用类似液体的电解质,但是在冲击情况下,该液体电解质可以增强自己的机械强度,因此,我们研发出剪切增稠电解质。”

其中的关键是找到合适的二氧化硅。其他实验室曾尝试过不规则形状和杆状的二氧化硅颗粒,正如研究人员今年早些时候在《应用材料与界面》杂志中描述的那样,而Veith团队则转向了一种已有几十年历史的技术,即共沉淀过程,以制造出完美的圆形二氧化硅纳米颗粒,它通常用于在人体细胞内输送药物。Veith说,这样的圆颗粒能够组成更强的屏障,而且它们更容易制作。

可以将该电解质想象成水与面粉的混合物,当用手慢慢搅拌面粉和水时,会感受到一丝阻力。但是,如果加快搅拌速度,会明显感觉到很大的阻力。事实上,保龄球可以在水与面粉形成的表面上反弹回来,水与面粉组成的表面在受到冲击的情况下,表现犹如固体。

“你不必重新发明电池生产线,因为它与目前的制造技术兼容。”他说。

具有此种特性的液体称为膨胀物,是一种非牛顿流体。如果电解质也是一种膨胀物,则其可在电池受到外部冲击时,防止电池短路。但是,制成剪切增稠电解质可比混合面粉和水要困难得多了,因为电解质的成分很复杂,包含不同的离子、溶剂和各种添加剂。

但这种新型黏性物质不能像普通液体电解质那样注入电池,因为简单的喷射就能使它变成固体。Veith团队发现了一种解决办法,即将二氧化硅颗粒预先放置在塑料分离膜内,在此之后注入液体电解质。这种“欧不裂”不仅能在受到冲击时变成固态,而且比之前测试过的产品更容易制造、更坚固。

Zhu表示:“在初步研究中,我们展示了一种改性低成本玻璃纤维,能够生产剪切增稠电解质,而此类电解质可与商用锂离子电池兼容,表现出非常好的抗冲击性能。与传统的液体电解质相比,此类剪切增稠电解质不会显着降低锂离子电池的性能。在受到冲击时,该电解质会立刻成为固体,并且会因剪切增稠效应,产生更大的力以对抗外部冲击。该解决方案可作为电池组外部热管理系统的补充方案,因为电池组外部热管理系统往往无法应对电池突然遭受外部冲击的情况。”

与所有剪切增稠液一样,橡树岭欧不裂(已经获得安全抗冲击电解液方面的专利)在被撞击后几秒钟又会变回液体,并且仍然可以在电极之间产生炽热的反应。Veith团队正在开发一个可以变成固体且保持该状态的版本。他指出,这种材料可以用于军用夹克,当被子弹击中时,它可以从可穿戴电池转变为救生铠甲。经过监管审查后,橡树岭团队预计,他们的技术将从规避最小风险的应用开始,在几年内应用到电池中。

此外,Zhu表示该研究非常新颖,可以提升锂离子电池的安全性,特别是提升用于电动汽车的锂离子电池的安全性。而且,该剪切增稠电解质还可用于其他用途,如用于防弹储能设备。

js333.com,相关论文信息:DOI: 10.1126/scienceaav1789

《中国科学报》 (2018-08-28 第2版 国际)

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