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新型固态电池令研究人员大吃一惊

综合 焦点资讯 2021-09-25 阅读 1580

工程师们发明了一种新型电池,将两个有前途的电池子场编织成一个电池。该电池使用固态电解液和全硅阳极,使其成为全硅固态电池。最初的几轮测试表明,这种新电池安全、耐用、能量密集。它在从电网存储到电动汽车的广泛应用中前景广阔

2021年9月24日出版的《科学》杂志介绍了电池技术。加利福尼亚大学圣地亚哥分校纳米工程师领导了这项研究,与LG能源解决方案的研究人员合作。

硅阳极以其能量密度而闻名,其能量密度是当今商用锂离子电池中最常用的石墨阳极的10倍。另一方面,硅阳极因其在电池充电和放电时的膨胀和收缩以及在液体电解质中的降解而臭名昭著。这些挑战使得商用锂离子电池中的所有硅阳极都无法使用,尽管其能量密度非常诱人。这项发表在《科学》杂志上的新工作为所有硅阳极提供了一条有希望的前进道路,这要归功于正确的电解液。

该论文的主要作者Darren H.S.Tan说:“通过这种电池配置,我们为使用硅等合金阳极的固态电池开辟了新的领域。”。他最近在加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院完成了化学工程博士学位,并与他人共同创立了一家初创公司UNIGRID Battery,该公司已获得该技术的许可

下一代高能量密度的固态电池一直依赖于金属锂作为阳极。但这限制了电池的充电速率,也限制了充电过程中需要升高温度(通常为60摄氏度或更高)。硅阳极克服了这些限制,允许在室温到低温下更快的充电速率,同时保持较高的能量密度

该团队展示了一种实验室规模的全电池,可在室温下提供500次充电和放电循环,容量保持率为80%,这对于硅阳极和固态电池社区来说都是令人振奋的进步。

硅作为替代石墨的阳极

当然,硅阳极并不是新的。几十年来,科学家和电池制造商一直将硅作为一种高能量材料,用于混合或完全取代锂离子电池中的传统石墨阳极。理论上,硅的存储容量大约是石墨的10倍。然而,在实践中,向阳极添加硅以提高能量密度的锂离子电池通常会遇到现实世界中的性能问题:特别是,电池在保持性能的同时可以充放电的次数不够高

许多问题是由硅阳极和它们配对的液体电解质之间的相互作用引起的。由于硅颗粒在充放电过程中体积膨胀过大,情况变得复杂。随着时间的推移,这会导致严重的容量损失

“作为电池研究人员,解决系统中的根本问题至关重要。对于硅阳极,我们知道其中一个大问题是液体电解质界面的不稳定性,该科学论文的通讯作者、加州大学圣地亚哥分校材料发现与设计研究所所长、加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授雪莉·孟(Shirley Meng)说:“我们需要一种完全不同的方法。”。

事实上,加州大学圣地亚哥分校领导的研究小组采取了一种不同的方法:他们消除了全硅阳极上的碳和粘合剂。此外,研究人员使用了微硅,它比常用的纳米硅加工更少,成本更低。

全固态溶液

除了去除阳极上的所有碳和粘合剂外,研究小组还去除了液体电解质。相反,他们使用了硫化物基固体电解质。他们的实验表明,这种固体电解质在全硅阳极电池中非常稳定

“这项新工作为硅阳极问题提供了一个有希望的解决方案,尽管还有更多的工作要做,”孟教授说,“我认为这个项目是对我们在加州大学圣地亚哥分校电池研究方法的验证。我们将最严格的理论和实验工作与创造力和创新思维结合起来。我们还知道如何与行业合作伙伴互动,同时迎接严峻的基本挑战。”

过去将硅合金阳极商业化的努力主要集中在硅-石墨复合材料上,或将纳米结构颗粒与聚合物粘合剂结合起来。但它们仍然难以稳定。

通过将液态电解液换成固态电解液,同时去除硅阳极上的碳和粘合剂,研究人员避免了电池工作时阳极浸泡在有机液态电解液中时出现的一系列相关挑战

同时,通过消除阳极中的碳,该团队显著减少了与固体电解质的界面接触(以及不必要的副反应),避免了通常发生在液体电解质中的连续容量损失。

这项由两部分组成的举措使研究人员能够充分利用硅的低成本、高能和环保特性。

影响和衍生产品商业化

这篇科学论文的第一作者Darren H.S.Tan说:“固态硅方法克服了传统电池的许多限制。它为我们提供了令人振奋的机会,以满足市场对更高体积能量、更低成本和更安全电池的需求,尤其是用于电网储能的电池。”

硫化物基固体电解质通常被认为是高度不稳定的。然而,这是基于液体电解质系统中使用的传统热力学解释,这并不能解释固体电解质的优异动力学稳定性。研究小组发现了一个利用这种违反直觉的特性来制造高稳定性阳极的机会。

Tan是一家初创公司UNIGRID Battery的首席执行官兼联合创始人,该公司已为这些硅全固态电池授予了技术许可。

同时,圣地亚哥大学将继续开展相关的基础工作,包括与LG Energy Solution的额外研究合作

LG Energy Solution总裁兼首席采购官Myung hwan Kim表示:“LG Energy Solution很高兴与加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)合作的电池技术最新研究成果登上了《科学杂志》,这是一个有意义的承认。”。“根据最新发现,LG Energy Solution离实现全固态电池技术更近了一步,这将大大丰富我们的电池产品阵容。”

“作为一家领先的电池制造商,LGES将继续努力在领先的下一代电池研究中培养最先进的技术,”Kim补充道。LG Energy Solution表示,计划进一步扩大与加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)的固态电池研究合作。

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