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哈佛大学研究出持久、稳定的固态锂电池 可提高电动汽车寿命

盖世汽车 刘丽婷 2021-05-14 20:20:14

盖世汽车讯  持久、快速充电的电池对于电动汽车市场扩展至关重要,但是当前锂离子电池由于太重、成本高且充电时间长,已无法满足该市场的需求。

数十年来,研究人员一直在尝试发掘固态锂金属电池。因为它与传统的锂离子电池相比,在相同的体积内可容纳更多的能量,且充电时间更短。哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)材料科学副教授Xin Li表示:“锂金属电池由于其高容量和高能量密度而被认为是电池化学的圣杯,但其稳定性却一直不佳。”

最近,Li及其团队设计出一种稳定的锂金属固态电池,可在高电流密度下充放电10,000多次,这远比之前演示的次数要多。研究人员还将该电池与商业化高能量密度阴极材料进行配对。

该电池技术可将电动汽车的使用寿命延长至与汽油汽车相同,即10到15年,且无需更换电池。凭借其高电流密度,该电池可在10至20分钟内为电动汽车充满电。

锂金属电池的最大挑战一直是化学过程。锂电池在充电过程中将锂离子从阴极移动到阳极。但若阳极由锂金属制成时,其表面上就会形成称为树突的针状结构。 这些结构会像根一样生长到电解质中,并刺穿分隔阳极和阴极的屏障,从而导致电池短路甚至着火。

为克服这一难题,Li及其团队通过在阳极和阴极间夹有不同稳定性的不同材料,设计出一种多层电池。这种多层多材料电池可防止锂树枝状晶体的渗透,但并非完全停止其生长,而是通过控制抑制其生长。

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(图片来源:哈佛大学)

可以将电池想像为BLT三明治。首先是面包,即锂金属阳极,其次是生菜,即石墨涂层。接下来,一层西红柿,即第一种电解质,一层培根,即第二种电解质。最后再加一层西红柿和一块面包,即阴极。

第一种电解质(化学名称为Li5.5PS4.5Cl1.5或LPSCI)与锂相比更稳定,但易于发生树突穿透。第二种电解质(Li10Ge1P2S12或LGPS)对锂的稳定性较差,但对树突免疫。该设计允许树枝状晶体生长穿过石墨和第一种电解质,但会在其到达第二种电解质时进行阻止。换句话说,树突通过生菜和番茄继续生长,但会停止在培根。培根屏障可防止树枝状晶体穿过电池,从而防止电池短路。

论文联合作者、SEAS的研究生Luhan Ye表示:“通过采用结合不稳定性策略,可以稳定车辆感觉违反直觉,但就像锚可以引导和控制螺钉进入墙壁一样,我们的多层设计也可以引导和控制树突的生长。”Li补充说:“不同之处在于我们的锚固件很快变得太紧,以致无法钻过树突,因此树突就停止生长。”

该电池也可以自我修复:其化学性质使其可以回填由树突造成的孔。Li称:“这种概念验证设计表明,锂金属固态电池可以与商用锂离子电池竞争,多层设计的灵活性和多功能性使其有可能与电池行业的批量生产程序兼容。将其扩展到商用电池并非易事,仍然存在一些实际挑战,但我们相信未来可以克服这些挑战。”

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