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开发高能电池的新机会

江岸
等级:一级士官
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楼主 发表于:2020-05-12 09:03:27
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近年来,锂离子电池在向士兵提供能量方面变得更加出色,但是当前一代的电池从未达到其最高的能量潜力。陆军研究人员非常专注于解决这一挑战并提供士兵所需的力量。


在与马里兰大学合作的美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室,科学家们可能找到了解决方案。


陆军科学家Oleg Borodin博士说:“我们非常高兴能展示出一种用于锂离子电池的新型电解液设计,该电解液设计比传统方法将阳极容量提高了五倍以上。” “这是使这项技术更接近商业化的下一步。”


该团队在电池中设计了一个自修复保护层,该层可显着减慢电解质和硅阳极的降解过程,从而可以延长下一代锂离子电池的寿命。




他们最新的电池设计将可能的循环次数从几十个增加到一百多个,而且几乎没有退化。《自然能源》杂志发表了他们的发现。


这是电池的工作方式。电池存储化学能并将其转换为电能。电池分为三部分,阳极(-),阴极(+)和电解质。阳极是一种电极,常规电流可通过该电极进入极化电子设备。这与阴极相反,电流通过阴极离开电气设备。


电解质可防止电子从电池中的阳极直接流向阴极。为了制造更好的电池,Borodin说,可以增加阳极和阴极的容量,但是电解质必须在它们之间兼容。


锂离子电池通常使用石墨阳极,其每克容量约为370毫安小时(mAh)。但是用硅制成的阳极可以提供每克约1,500至2,800 mAh的容量,至少是其容量的四倍。


研究人员说,与传统的石墨阳极相反,硅粒子阳极提供了极好的替代方法,但它们的降解速度也更快。与石墨不同,硅在电池工作期间会膨胀和收缩。随着阳极中硅纳米粒子的变大,它们经常使围绕阳极的保护层(称为固体电解质界面相)破裂。


当阳极颗粒直接与电解质接触时,固体电解质中间相自然形成。所形成的阻挡层防止进一步的反应发生,并使阳极与电解质分离。但是,当该保护层损坏时,新暴露的阳极颗粒将与电解质连续反应,直到耗尽。


Borodin说:“其他人试图通过设计一个保护层来解决这个问题,该保护层在硅阳极作用时会膨胀。” “但是,这些方法仍然会导致电解质降解,从而大大缩短阳极和电池的寿命。”


马里兰大学和陆军研究实验室的联合小组决定尝试一种新方法。研究人员设计了一种不会破裂的刚性屏障,而不是弹性屏障,即使硅纳米粒子膨胀也不会破裂。他们开发了一种带有电解质的锂离子电池,当电解质与硅阳极颗粒相互作用并显着减少电解质降解时,电解质形成了刚性的氟化锂固体电解质中间相或SEI。


“我们通过形成对锂硅颗粒具有低亲和力的陶瓷SEI成功地避免了SEI的损害,因此锂硅可以在体积变化过程中重新定位在界面上而不会损坏SEI,”教授王春生教授说。马里兰大学化学与生物分子工程系。“电解质设计原则对于所有合金阳极都是通用的,这为开发高能电池提供了新的机会。”


Borodin和Wang的研究小组设想的电池设计显示出99.9%的库仑效率(基本电荷单位),这意味着每个循环中只有0.1%的能量损失于电解质降解。


与具有99.5%效率的带有硅阳极的锂离子电池的常规设计相比,这是一个重大改进。尽管看上去很小,但鲍罗丁说,这种差异使循环寿命延长了五倍以上。


鲍罗丁说:“马里兰大学王春生博士的小组进行的实验表明,这种新方法是成功的。” “但是,它不仅对硅成功,而且对铝和铋阳极也很成功,这表明了该原理的普遍性。”


新设计还具有其他一些优点。电池的较高容量使电极明显变薄,这使充电时间大大缩短,电池本身也更轻。此外,研究人员发现,这种电池比普通电池可以更好地应对低温。


“对于普通电池,较低的温度会减慢扩散速度,甚至可能冻结电池内部的液体,” Borodin说。“但是由于我们的设计具有更高的容量,因此离子必须扩散更短的距离,从而大大改善了低温操作,这对于在寒冷气候下作战的战斗人员来说非常重要。”


该团队感谢ARL Enterprise的“材料多尺度建模”计划在迄今为止的研究工作中给予的支持。


据鲍罗丁说,研究的下一步是使用这种设计来开发具有更高电压的更大电池。根据这个目标,研究小组目前正在研究锂离子电池正极方面的进步。



jwq1990323
等级:四级士官
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jwq1990323 发表于:2020-05-13 08:42:09
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