斯坦福大學(xué)科學(xué)家發(fā)明的一種新的鋰基電解液可以為下一代電池供電的電動汽車鋪平道路。
在6月22日發(fā)表于《自然能源》上的一項研究中，斯坦福大學(xué)的研究人員展示了他們新穎的電解質(zhì)設(shè)計如何提高鋰金屬電池的性能，這是一種為電動汽車，筆記本電腦和其他設(shè)備供電的有前途的技術(shù)。
該研究的合著者，SLAC國家加速器實驗室的材料科學(xué)與工程學(xué)教授和光子科學(xué)教授Yi Cui表示：“大多數(shù)電動汽車都使用鋰離子電池運行，而鋰離子電池正在迅速接近其能量密度的理論極限?！薄拔覀兊难芯恐攸c是鋰金屬電池，它比鋰離子電池更輕，并且每單位重量和體積都可以提供更多的能量?！?
從智能手機到電動汽車，鋰離子電池都有兩個電極-一個帶鋰的帶正電的陰極和一個通常由石墨制成的帶負電的陽極。當(dāng)使用電池并對其進行充電時，電解質(zhì)溶液可使鋰離子在陽極和陰極之間來回穿梭。
鋰金屬電池每千克可容納的電量是當(dāng)今常規(guī)鋰離子電池的兩倍。鋰金屬電池通過用鋰金屬代替石墨陽極來做到這一點，鋰金屬可以存儲更多的能量。
該研究的合著者之一，KK學(xué)院工程學(xué)教授李振安說：“鋰金屬電池對于電動汽車非常有前途，因為電動汽車的重量和體積是一個大問題。”“但是在運行過程中，鋰金屬陽極會與液體電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。這會導(dǎo)致鋰微結(jié)構(gòu)在陽極表面上生長，稱為樹枝狀晶體，這可能導(dǎo)致電池著火并發(fā)生故障。”
研究人員花了數(shù)十年的時間來嘗試解決枝晶問題。
化學(xué)著作的共同主要作者余志高說：“電解質(zhì)一直是鋰金屬電池的致命弱點?！薄霸谖覀兊难芯恐校覀兪褂糜袡C化學(xué)方法來合理設(shè)計和制造用于這些電池的新型，穩(wěn)定的電解質(zhì)?！?
在這項研究中，Yu和他的同事們探索了他們是否可以使用常見的市售液體電解質(zhì)解決穩(wěn)定性問題。
于說：“我們假設(shè)在電解質(zhì)分子上添加氟原子會使液體更穩(wěn)定?！薄胺卿囯姵仉娊赓|(zhì)中廣泛使用的元素。我們利用其吸引電子的能力來創(chuàng)建一個新分子，使鋰金屬陽極在電解質(zhì)中發(fā)揮良好的作用?！?
結(jié)果是一種易于合成的新型合成化合物，縮寫為FDMB。
鮑說：“電解質(zhì)的設(shè)計正變得非常具有異國情調(diào)?！薄坝行╋@示出良好的前景，但生產(chǎn)成本非常高。Zhiao提出的FDMB分子易于大量制造且價格便宜?！?
斯坦福大學(xué)研究小組測試了鋰金屬電池中的新電解質(zhì)。
結(jié)果是驚人的。在420次充放電循環(huán)后，實驗電池保留了其初始電量的90%。在實驗室中，典型的鋰金屬電池會在大約30個循環(huán)后停止工作。
研究人員還測量了鋰離子在充電和放電過程中在陽極和陰極之間傳輸?shù)男?，這種特性稱為“庫侖效率”。
“如果您充電1,000個鋰離子，那么放電后又能回收多少個鋰離子?”崔說。“理想情況下，您要在1,000的千分之一中實現(xiàn)100%的庫侖效率。要在商業(yè)上可行，單電池的庫侖效率至少應(yīng)為99.9%。在我們的研究中，半電池的99.52%，電池的99.98%。充滿細胞;令人難以置信的表現(xiàn)。”
為了潛在地用于消費電子產(chǎn)品，斯坦福大學(xué)的研究小組還測試了無陽極鋰金屬袋式電池中的FDMB電解質(zhì)，這是市售的帶有陰極的電池，陰極可為陽極提供鋰。
材料科學(xué)與工程專業(yè)的研究生合著者漢森·王(Hansen Wang)說：“這種想法是僅在陰極側(cè)使用鋰來減輕重量?！薄盁o陽極電池在容量下降到80%之前運行了100個循環(huán)-不及同等的鋰離子電池，后者可以持續(xù)500到1,000個循環(huán)，但仍然是性能最好的無陽極電池之一?！?
Bao補充說：“這些結(jié)果表明了廣泛的設(shè)備前景。”“輕巧，無陽極的電池將成為無人機和許多其他消費電子產(chǎn)品的誘人特性?！?
美國能源部(DOE)正在資助一個名為Battery500的大型研究聯(lián)盟，以使鋰金屬電池可行，這將使汽車制造商可以制造出重量更輕的電動汽車，從而使充電之間的距離更長。這項研究得到了包括斯坦福大學(xué)和SLAC在內(nèi)的財團的部分資助。
通過改進陽極，電解質(zhì)和其他組件，Battery500的目標(biāo)是使鋰金屬電池可提供的電量幾乎增加三倍，從該計劃于2016年開始時的每千克約180瓦時到每千克500瓦時。更高的能量重量比或“比能量”是解決潛在的電動汽車購買者經(jīng)常遇到的里程焦慮的關(guān)鍵。
崔說：“我們實驗室的無陽極電池每千克比能達到約325瓦時，這是一個可觀的數(shù)字?！薄拔覀兊南乱徊娇赡苁桥cBattery500中的其他研究人員合作，制造接近該財團500千瓦時/千克目標(biāo)的電池?！?
除了更長的循環(huán)壽命和更好的穩(wěn)定性外，F(xiàn)DMB電解質(zhì)的可燃性也遠低于傳統(tǒng)電解質(zhì)。
“我們的研究基本上提供了一種設(shè)計原則，人們可以應(yīng)用它來設(shè)計更好的電解質(zhì)，” Bao補充說。“我們只是展示了一個例子，但還有許多其他可能性。”
