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“鋰電池之父”94歲高齡再獲重大突破,全球電動車產(chǎn)業(yè)或?qū)⑦~入新紀(jì)元!


來源:DeepTech深科技

[導(dǎo)讀]  古迪納夫教授的這項突破是一款新型的低成本的全固態(tài)電池。這款電池所具有相當(dāng)多的優(yōu)點:不易燃燒、體積能量密度高、循環(huán)壽命長、充放電速度快等。如果取得成功,這一新發(fā)明的重要性不言而喻——我們的手持移動設(shè)備,電動汽車與固定儲能系統(tǒng)將能夠用上更安全、充電更快、更為持久的可充電電池。

中國粉體網(wǎng)訊  近年來,電動車的購買量一直在上升,去年僅美國市場的年同比增長率達到37%;而在中國,2016 年新能源汽車總產(chǎn)量達到 518,582 輛,同比增長38.8%,純電動占比81.9%,插電式混合動力占比18.1%

 

有預(yù)計指出,截至 2022 年,電動車的使用率將大幅提升,屆時電動車的預(yù)計成本將與內(nèi)燃機機動車持平。然而,這些估計基于的假定是,現(xiàn)有的鋰離子電池仍然將是電動車的主要電力來源。

 

德州大學(xué)奧斯汀分校科克雷爾工學(xué)院(Cockrell Engineering School94歲高齡的約翰·古迪納夫(John Goodenough教授是鋰離子電池共同發(fā)明者,F(xiàn)如今,他又帶領(lǐng)工程師團隊打造了一個新型全固態(tài)電池,如果取得成功,這一新發(fā)明的重要性不言而喻——我們的手持移動設(shè)備,電動汽車與固定儲能系統(tǒng)將能夠用上更安全、充電更快、更為持久的可充電電池。 

 

回到技術(shù)本身,古迪納夫教授的這項突破是一款新型的低成本的全固態(tài)電池。這款電池所具有相當(dāng)多的優(yōu)點:不易燃燒、體積能量密度高、循環(huán)壽命長、充放電速度快等。該研究由科克雷爾工程學(xué)院高級研究員瑪利亞·海倫娜·布拉加(Maria Helena Braga)與古迪納夫教授共同完成。

 

這一里程碑式的研究于近日發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》(Energy & Envrionmental Science)上。

-硫固態(tài)電池示意圖


研究人員的實驗表明,他們開發(fā)出的新電池的能量密度至少是當(dāng)下鋰離子電池的三倍。從文章中的數(shù)據(jù)來看,這款電池的完全放電的能量密度為10.5Wh/g,而在可循環(huán)電壓范圍內(nèi),能量密度為8.5Wh/g。當(dāng)應(yīng)用于新能源汽車時,更高的能量密度意味著,一輛電動汽車一次充電后的活動半徑將被大幅提高。

 

此外,全固態(tài)電池的固有特性還增加了電池的充放電次數(shù)(更耐用)。同時,新電池的充電速率也得以大幅提升(只需要數(shù)分鐘,而不是以往的數(shù)小時)。

 

金屬鋰形成枝晶,造成電池短路的3維示意圖

古迪納夫教授指出:“成本、安全性、能量密度、充放電速率和循環(huán)壽命等因素決定了電動汽車能否被社會所廣泛接受。我們相信,這一發(fā)現(xiàn)解決了當(dāng)前電池中許多固有的難題!

 

當(dāng)今的鋰離子電池多使用液態(tài)電解質(zhì),從而實現(xiàn)鋰離子在陽極和陰極之間的輸送。但是如果電池單元充電的速度過快,它會導(dǎo)致鋰離子析出,形成橫跨液體電解質(zhì)的枝晶,或者所謂的“金屬晶須”,從而引起電池短路,并有可能引起爆炸或者火災(zāi)。類似的情況也會發(fā)生在其他堿金屬,如鈉,鉀中。

 

因此,盡管理論上堿金屬陽極能夠?qū)崿F(xiàn)最高的電池能量密度,并且提高循環(huán)壽命,但是目前來看,安全性仍然是制約電池使用堿金屬陽極的主要因素。

 

當(dāng)前的鋰離子電池,陽極材料多為嵌入的鋰化合物,如鈷酸鋰,磷酸鐵鋰,錳尖晶石等,它們會與液態(tài)電解質(zhì)反應(yīng),生成一層厚約20nm左右,能通導(dǎo)鋰離子,但是不通導(dǎo)電子的固態(tài)-電解質(zhì)界面膜(Solid-electrolyte interphase),這一層界面膜能阻止鋰與電解質(zhì)溶液的進一步接觸,故而能提升電池的安全性與穩(wěn)定性。但是另一方面,這一層界面膜會消耗陽極與電解質(zhì),因而會降低電池的效率。

 

在論文中,研究者們使用了非晶電解質(zhì)取代了常規(guī)電池中所使用的液體電解質(zhì)。與常規(guī)電池中的液體電解質(zhì)相似,這種固態(tài)電解質(zhì)也能很好的通導(dǎo)鋰離子與鈉離子。不僅如此,由于這種固體電解質(zhì)其導(dǎo)帶(conduction band)的能量要高于鋰的費米能級,因而不會形成在常規(guī)電池中出現(xiàn)的固態(tài)-電解質(zhì)界面膜,從而提升了電池的效率。

 

另一方面,與堿金屬陽極接觸的固態(tài)電解質(zhì)能夠有效地避免陽極生成枝晶結(jié)構(gòu),因而能夠完全消除鋰離子電池中的安全隱患。

 

研究人員還發(fā)現(xiàn),這種電池能在保持很低的電池內(nèi)阻情況下,能實現(xiàn)多達1200余次的充放電。下圖給出了電池長達1000多小時的充放電測試曲線。從這個電壓-時間曲線中,可以看出這款新型鋰-硫電池在很長的循環(huán)壽命中,仍然能夠保持非常穩(wěn)定的放電電壓。

 

-硫固態(tài)電池充放電實驗,電池電壓與時間示意圖

 

在對于工作環(huán)境溫度的適應(yīng)性上,全固態(tài)電池有著巨大的優(yōu)勢。由于固體非晶電解質(zhì)在低至零下20攝氏度的環(huán)境中仍然具有很高的導(dǎo)電性,因此可以確保電動汽車在零度以下的天氣中仍然能正常工作。在耐高溫方面,新電池還是世界上第一款能夠在60攝氏度下工作的全固態(tài)電池組。

 

布拉加與古迪納夫教授先前研發(fā)出的非晶固態(tài)電解質(zhì)

除了上述特點外,這項工藝還有一個優(yōu)點——電池可以用更加環(huán)保的材料制成。布拉加表示,非晶電解質(zhì)可以用低成本的鈉來代替鋰,而鈉可以輕易地從海水中獲取。

 

古迪納夫教授和布拉加現(xiàn)在正在繼續(xù)推進他們的電池研究,并且正準(zhǔn)備申請專利。他們在近期計劃與電池制造商合作,開發(fā)和測試為電動汽車和能源存儲裝置提供的新型電池。

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