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斯坦福大学研发出新型锂基电解质,锂金属电池性能大幅提高

日前,斯坦福大学的科学家开发出一种新型锂基电解质,或为未来电池驱动的电动汽车铺平道路。在论文中,研究人员展示了他们的新型电解质设计是如何提高锂金属电池性能的,该论文发表在《自然能源》上。


美国国家加速器实验室的材料科学与工程和光子科学教授崔毅(音译)说:“大多数电动汽车都在使用锂离子电池,其能量密度正迅速接近理论极限,为此我们把研究的目光放到了锂金属电池上,它比锂离子电池更轻,并且在单位重量和体积上可以提供更多的能量。”


锂金属比石墨阳极能存储更多的能量,因此通过用锂金属代替石墨阳极,锂金属电池每千克可容纳的电量是传统锂离子电池的两倍。但在工作过程中,锂金属阳极会与液体电解质发生反应,导致阳极表面的锂微结构树突的生长,最终引发电池起火和故障。


研究人员余志傲(音译)说:“电解液问题一直是锂金属电池的致命弱点,在我们的研究中,我们使用有机化学来合理设计和创造新的、稳定的电池电解质。”在这项研究中,余志傲和他的团队探讨了他们是否可以用一种普通的、商业上可获得的液体电解质来解决稳定性问题。




图片来源:斯坦福大学



“我们假设在电解质分子中加入氟原子会使液体更稳定。氟是锂电池的电解质中广泛使用的元素。我们利用它吸引电子的能力创造了一种新分子,使锂金属阳极在电解质中发挥良好的功能,”余志傲继续说道。


实验结果生成了一种新的合成化合物,简称FDMB,这种化合物易于批量生产。


研究人员表示电解液的设计变得越来越奇特,虽然有些已经显示出良好的前景,但他们的生产成本非常昂贵。而他们发明的FDMB分子则方便大批量生产,且价格便宜。


研究小组在锂金属电池中测试了这种新型电解质。结果是戏剧性的。经过420次的充放电,实验电池保持了90%的初始电量。在实验室中,传统的锂金属电池在大约30次循环后停止工作。


研究人员还测量了锂离子在充电和放电过程中在正极和负极之间转移的效率,这一特性被称为“库仑效率”。崔毅教授说:“如果你给1000个锂离子充电,放电后你能得到多少?理想情况下,你希望得到1000个,但这样的库伦效率必须达到100%。要在商业上可行的话,库伦效率则必须至少达到99.9%。在我们的研究中,半电池的库伦效率为99.52%,完整电池的库伦效率则高达99.98%。是个难以置信的结果。”


对于潜在的消费类电子产品的应用,斯坦福大学的研究小组还测试了FDMB电解质在无阳极锂金属袋电池中的应用。


“我们的想法是只使用阴极一侧的锂来减轻重量,”该研究的共同第一作者汉森·王(Hansen Wang)说,“无阳极电池在容量下降到80%之前可以运行100次循环,虽然不如同等容量的锂离子电池500到1000次循环,但仍是性能最好的无阳极电池之一。”


美国能源部(DOE)正在资助一个名为Battery500的大型研究项目,以使锂金属电池成为可能,便于汽车制造商制造出更轻、续航里程更长的电动汽车。通过改进阳极、电解质和其他组件,Battery 500的目标是将锂金属电池的发电量提高近两倍,从2016年该项目启动时的每千克180瓦时提高到每千克500瓦时。


崔毅说:“我们实验室的无阳极电池达到了每千克325瓦时。我们的下一步可能是与Battery500的其他研究人员合作,构建接近联盟目标每千克500瓦时的电池。”


除了更长的循环寿命和更好的稳定性,FDMB电解液也不像传统电解质那么易燃。


研究人员表示该研究提供了一个设计原则,人们可以应用它来设计出更好的电解质。他们只展示了一个例子,还有很多其他的可能性。


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