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MIT發現新電解質 電池能量密度或達到420瓦時/公斤

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時間:1900/1/1 0:00:00

為了提高鋰電池的能量密度,可以用金屬電極代替傳統的石墨負極。然而,這種實踐受到電解質和電極之間不必要的化學反應的可能性的阻礙。據國外媒體報道,美國麻省理工學院(MIT)等機構的研究人員發現了一種新的電解液,不僅可以克服這些問題,還可以在不影響循環壽命的情況下,大幅提高下一代電池的單位重量功率。

discovery

(來源:麻省理工學院)

研究人員表示,這一發現可能會將鋰金屬電池的能量密度提高到420 WHr/kg,從而延長電瓶車的續航里程。目前鋰離子電池的能量密度約為260 WHr/kg。

電解液的基礎原料成本低(其中一種中間化合物因使用有限而價格昂貴),制備工藝簡單,或將在短時間內得到應用。化學教授杰里邁亞·約翰遜(Jeremiah Johnson)表示,這種電解質并不是全新的。幾年前,研究小組的一些成員開發了這種電解質的其他應用。最近,研究人員發現這種電解液可能應用于鋰金屬電池。

研究人員開發了三種不同的磺胺基配方,可以有效地抵抗氧化和其他降解作用。目前,使用這種電解液的電極是含有一些鈷和錳的氧化鎳。在充放電過程中,電極材料會膨脹收縮不均勻,如果配合常規電解液使用,可能會開裂,性能下降。然而,發現使用這種新的電解質可以大大減少由應力腐蝕引起的開裂和退化。

問題是合金中的金屬原子傾向于溶解到液體電解質中,從而失去質量并導致金屬斷裂。使用新的電解液可以有效地避免這種現象。研究人員發現,這種電解質材料的形狀更強。在新的電解質中,過渡金屬“不那么容易溶解”。這種材料可以很容易地讓鋰離子通過(電池充放電的基本機制),同時阻止其他陽離子(即過渡金屬)進入。與標準電解液相比,經過多次充放電循環后,電極表面積累的有害化合物可減少至十分之一以上。

機械工程和材料科學與工程教授邵-霍恩(Shao-Horn)說:“這種電解質對高能富鎳材料的氧化具有化學抗性,可以防止顆粒破碎,并在循環過程中穩定正極。這種電解液還能穩定可逆地剝離電鍍金屬鋰,是實現可充電金屬鋰電池的重要一步,其能量是鉛鋰離子電池的兩倍。這一發現將促進電解質研究和鋰金屬電池液體電解質的設計,使其與固體電解質相當。”

研究人員將繼續擴大生產規模以降低成本。由于不需要重新設計整個電池系統,這種電解液可能很快就會得到應用,并在幾年內實現商業化。約翰遜說:“我們使用現成的商業原料,通過非常簡單的反應制造出來。”但目前用于合成電解質的前體化合物價格昂貴,擴大產量有助于降低價格。為了提高鋰電池的能量密度,可以用金屬電極代替傳統的石墨負極。然而,這種實踐受到電解質和電極之間不必要的化學反應的可能性的阻礙。據國外媒體報道,美國麻省理工學院(MIT)等機構的研究人員發現了一種新的電解液,不僅可以克服這些問題,還可以在不影響循環壽命的情況下,大幅提高下一代電池的單位重量功率。

discovery

(來源:麻省理工學院)

研究人員表示,這一發現可能會將鋰金屬電池的能量密度提高到420 WHr/kg,從而延長電瓶車的續航里程。目前鋰離子電池的能量密度約為260 WHr/kg。

電解液的基本原材料成本低(其中一種中間化合物價格昂貴,原因是……o使用受限),且制備工藝簡單,或短時間內即可應用。化學教授杰里邁亞·約翰遜(Jeremiah Johnson)表示,這種電解質并不是全新的。幾年前,研究小組的一些成員開發了這種電解質的其他應用。最近,研究人員發現這種電解液可能應用于鋰金屬電池。

研究人員開發了三種不同的磺胺基配方,可以有效地抵抗氧化和其他降解作用。目前,使用這種電解液的電極是含有一些鈷和錳的氧化鎳。在充放電過程中,電極材料會膨脹收縮不均勻,如果配合常規電解液使用,可能會開裂,性能下降。然而,發現使用這種新的電解質可以大大減少由應力腐蝕引起的開裂和退化。

問題是合金中的金屬原子傾向于溶解到液體電解質中,從而失去質量并導致金屬斷裂。使用新的電解液可以有效地避免這種現象。研究人員發現,這種電解質材料的形狀更強。在新的電解質中,過渡金屬“不那么容易溶解”。這種材料可以很容易地讓鋰離子通過(電池充放電的基本機制),同時阻止其他陽離子(即過渡金屬)進入。與標準電解液相比,經過多次充放電循環后,電極表面積累的有害化合物可減少至十分之一以上。

機械工程和材料科學與工程教授邵-霍恩(Shao-Horn)說:“這種電解質對高能富鎳材料的氧化具有化學抗性,可以防止顆粒破碎,并在循環過程中穩定正極。這種電解液還能穩定可逆地剝離電鍍金屬鋰,是實現可充電金屬鋰電池的重要一步,其能量是鉛鋰離子電池的兩倍。這一發現將促進電解質研究和鋰金屬電池液體電解質的設計,使其與固體電解質相當。”

研究人員將繼續擴大生產規模以降低成本。由于不需要重新設計整個電池系統,這種電解液可能很快就會得到應用,并在幾年內實現商業化。約翰遜說:“我們使用現成的商業原料,通過非常簡單的反應制造出來。”但目前用于合成電解質的前體化合物價格昂貴,擴大產量有助于降低價格。

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