麻省理工學院團隊開發新型固體電解質和純鋰陽極
發布時間:2020-02-29 10:56:04
關鍵詞:固態電池鋰電池

麻省理工學院的新研究可能會使每磅電池的能量更高,壽命延長。麻省理工學院Yuming Chen和Ziqiang Wang共同合著的一篇新論文探討了使用純鋰作為電池陽極的想法。


這種設計是開發安全固態電池的概念的一部分,通過在電池的兩個電極之間省去通常用作電解質材料的液體或聚合物凝膠。固態電解質比揮發性液體電解質更安全,揮發性液體電解質在極端條件下會爆炸。


雖然許多其他小組正在研究他們稱之為固體電池的東西,但Li說,這些系統中的大部分實際上在一些液體電解質與固體電解質材料混合的情況下工作得更好。“在我們的例子中,一切都是實實在在的,”他說。"里面沒有任何液體或凝膠。"


“已經在固態電池上做了很多工作,包括金屬鋰電極和固體電解質,”Li說,但這些成果面臨許多的問題。其中一個問題是沒有一種固態電解質在與極易起化學反應的金屬鋰接觸時有穩定的化學反應,所以它們往往會隨著時間的推移而降解。大多數克服這一問題的嘗試都集中在設計對鋰金屬穩定的固體電解質材料上,然而鋰金屬是很難做到的。然而,Li和他的團隊采用了一個不尋常的辦法,利用兩個附加的固體,“混合離子電子導體”(MIEC)和“電子和離子的絕緣體”(ELI),工程師們都說這兩個在與金屬鋰接觸時是穩定的。


麻省理工學院團隊開發新型固體電解質和純鋰陽極

內徑為100納米的碳納米管中的可逆鋰金屬電鍍和剝離


另一個問題是,鋰陽極在每次充電放電循環中膨脹和收縮,最終會引起固體電解質的斷裂或分離。為了解決這個問題,研究員們開發了一個三維納米構造,形態呈蜂窩狀的六邊形MIEC管陣列,部分注入固體鋰金屬形成電池的一個電極,但每個管內留有額外空間。這個蜂窩結構允許鋰在不改變電極的外部尺寸或電極與電解液之間的邊界的情況下膨脹和收縮。另外一種材料,ELI在MIEC墻和固態電解質之間作為機械粘合劑。


Li說,蜂窩狀結構是通過化學穩定的MIEC制成的,鋰永遠不會失去與材料的電接觸。因此,電池在循環過程中可以保持機械和化學穩定性。團隊已經證實了實驗內容,將一個試驗裝置進行了100次充放電循環,沒有任何固體破裂。


在儲存容量不變的情況下,新的系統可以生產出重量是傳統陽極的四分之一的陽極。加上新型設計的輕薄的負極,這基本上可以大大減少電池的重量。例如,團隊希望手機可以在不增加重量的情況下三天充一次電。


到目前為止,團隊只建造出了一個小型設備實驗室,但是Li認為這項技術可以很快得到推廣。所需的材料,主要是錳,比其他系統使用的鎳和鈷要便宜非常多,所以這些陰極的成本可能只有現有陰極的五分之一。


稿件來源: 中國化學與物理電源行業協會
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