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美國利用磷制新陽極 可將鋰離子電池容量提高至少9倍

時間:2020-08-24 23:19來源:蓋世汽車 作者:余秋云
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(圖片來源:阿貢國家實(shí)驗室)
 
       據(jù)外媒報道,美國阿貢國家實(shí)驗室(Argonne National Laboratory)的科學(xué)家們在高容量鋰離子電池研發(fā)方面取得了新進(jìn)展,可滿足日益增長的電池消費(fèi)需求。
 
       隨著路上的電動汽車越來越多,人們對消費(fèi)電子產(chǎn)品依賴性日益增強(qiáng),研發(fā)高容量,或者能夠存儲大量電量的鋰離子電池的需求也隨之高漲。
 
       增加鋰離子電池總?cè)萘康钠渲幸环N方法是增加陽極或負(fù)極的能量容量。在過去幾十年中,最先進(jìn)的鋰離子電池都由石墨陽極制成,石墨的能量容量是固定的,意味著其容量不會衰減,而且此種材料不會開裂,即使電池經(jīng)過了1000次的充放電循環(huán)。不過,石墨的理論能量容量較低,無法滿足當(dāng)今社會日益增長的能源需求。
 
       在一項新研究中,由美國能源部阿貢國家實(shí)驗室研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一支研究團(tuán)隊展示了一種容量更高的陽極材料。該復(fù)合材料最初為鈉離子電池研發(fā),而商用鈉離子電池比鋰離子電池的使用次數(shù)更少。于是,該項研究就試圖將此種材料應(yīng)用到鋰離子電池中。
 
       最近,有兩種材料站到了下一代電池陽極研究的前沿——硅和磷。理論上,硅和磷的能量容量至少是石墨的10倍,即可以超過鋰離子電池的能量容量要求。根據(jù)阿貢國家實(shí)驗室杰出研究員兼高級材料科學(xué)家Khalil Amine所說,硅有兩個問題,其一是充電過程中,硅在鋰化時會大面積膨脹,可能會導(dǎo)致此種陽極材料斷裂,從而導(dǎo)致電池能量容量損失。
 
       第二個問題與初始庫倫效率(ICE)有關(guān)。當(dāng)電池完成一個完整的充放電循環(huán)后,從理論上看,電池電荷輸出應(yīng)該與電荷輸入一致。但是,由于鋰與陽極材料發(fā)生反應(yīng),電荷輸出中的一些能量會損失掉。為了研發(fā)實(shí)用性鋰離子電池,在首次充放電循環(huán)時,電池輸出電荷與輸入電荷的比率應(yīng)該在90%以上,即庫倫效率要達(dá)90%。但是,硅陽極鋰離子電池的庫倫效率低于80%,導(dǎo)致此種電池不實(shí)用。
 
       于是,阿貢國家實(shí)驗室的研究人員研究了兩種磷:黑磷和紅磷。研究人員表示:“磷的能量容量很高,庫倫效率也很高,超過90%。”庫倫效率高于90%意味著陽極材料和電解質(zhì)之間幾乎沒有發(fā)生副反應(yīng),在電池初始充放電循環(huán)中鋰的損失并不多。
 
       因此,該團(tuán)隊自主研發(fā)了陽極復(fù)合材料,主要由黑磷和導(dǎo)電碳化合物組成,其中黑磷是一種理論上容量很高的導(dǎo)體。為了打造該復(fù)合材料,研究人員還將大塊的磷與導(dǎo)電碳研磨成微米大小的顆粒,以增加陽極的密度。
 
       當(dāng)測量電池的壽命周期,即可以充放電多少次時,研究人員采用了阿貢國家實(shí)驗室先進(jìn)光子源(APS)和納米材料中心(CNM),這兩個都是能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室下屬機(jī)構(gòu)。采用APS現(xiàn)場存儲環(huán)光源X射線衍射以及CNM的現(xiàn)場掃描電子顯微鏡,該團(tuán)隊可以觀察到電池反復(fù)充放電時,陽極相位和體積的變化情況。
 
       在證明了黑磷復(fù)合材料具有穩(wěn)定性后,該團(tuán)隊研發(fā)了由紅磷制成的復(fù)合材料。盡管黑磷的導(dǎo)電性比紅磷好,但是在用于市場應(yīng)用時太昂貴。在采用了經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的紅磷復(fù)合材料后,該電池的穩(wěn)定性與采用黑磷的電池類似,而且還具有很高的庫倫效率以及很高的實(shí)際容量。
 
       目前,該團(tuán)隊正在研究主要由紅磷制成的復(fù)合材料,而且該材料也顯示出很有發(fā)展前景的結(jié)果。
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
文章標(biāo)簽: 鋰離子電池 電池容量 陽極
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