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能量密度和寿命双提高 麻省新型电解质为锂金属电池未来铺路

TIME : 2021-04-02

当谈到替代电池结构时,用高密度的锂金属代替传统石墨材料作为电极的设计被认为十分有前景,但存在一些技术障碍。据报道,麻省理工学院的一个团队日前开发了一种新的电解质解决方案,可以解决阻碍该技术发展的关键问题之一,为电动汽车和移动设备电池的未来铺平了道路。


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由于纯锂金属阳极所可以提供更好的能量密度,锂金属电池的概念进而也提高了移动设备和车辆在不增加重量的情况下携带更多电荷的前景。然而,在它们成为现实之前,科学家们的努力一直受阻于与分离电极的电解液发生的各种不必要化学反应。


电解液是一种溶液,当锂离子充电时,它会在阳极和阴极之间来回携带锂离子。更具体地说,金属合金中的原子很容易溶解在电解质溶液中,随着电池的循环,电极会脱落,最终开始开裂和降解。


现在,麻省理工学院的科学家们相信,他们已经找到了一条可行的前进道路——一种新型电解质,既能克服这些问题,还能使下一代电池的单位重量功率大幅跃升,同时又不牺牲循环寿命。


在测试中,新电解质被证明具有很强的抗金属原子溶解能力,这防止了质量的损失和通常导致的开裂现象。此外,它还将电极表面多余化合物的积累减少了十倍以上,但仍然允许电池充电所需的锂离子轻松移动。


而在与当今锂电池中所使用的标准阴极(由锂,镍,锰和钴制成的金属氧化物)结合时,还被证明具有很高的性能。研究人员还指出,它与锂金属负极相互作用的方式可能会真正打开一些令人兴奋的途径。


麻省理工学院教授Yang Shao-Horn表示,“这种电解液具有抗高能富镍材料氧化的化学性能,可以防止颗粒破裂,并在循环过程中稳定正极。这种电解质还可以稳定可逆地剥离和电镀锂金属,这是实现可充电锂金属电池的重要一步。”


“此外,其能量密度是最先进的锂离子电池的两倍。这一发现将促进进一步的电解质研究和锂金属电池液态电解质的设计,与固态电解质相媲美。”他补充说。


研究小组表示,这种新的电解质可以制成储能锂电池,每公斤能储存约260瓦时的锂离子电池,有可能达到每公斤储存约420瓦时。这将转化为电动汽车更长的续航里程和便携式设备上更持久的电力。


研究人员的下一个目标是扩大生产规模,使这项技术成本降下来。虽然这种电解液很容易生产,但它确实涉及一种很少使用的前体化合物,因此获得这种前体化合物很昂贵,不过随着产量的增加,这种情况可能会改变。


此外,该技术还有另一个优势是,它不需要对电池结构进行大规模的重新设计,该团队将其描述为当前电解质的“临时”替代品。


“我认为,如果我们能向世界展示这是消费电子产品的绝佳电解质,进一步扩大规模的动机将有助于推动价格下降,”该研究作者Jeremiah Johnson表示。

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