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研究發(fā)現(xiàn):清潔電解質(zhì)/電極界面使固態(tài)鋰電池的容量增加一倍

時間:2021-01-28 09:14來源:蓋世汽車 作者:劉麗婷
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(圖片來源:東京工業(yè)大學(xué))
 
       據(jù)外媒報道,來自東京工業(yè)大學(xué)、日本東北大學(xué)、國立先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所和日本工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家們經(jīng)過實驗證明,清潔電解質(zhì)/電極界面是實現(xiàn)高容量固態(tài)鋰電池的關(guān)鍵。該發(fā)現(xiàn)可能將為優(yōu)化電池設(shè)計鋪平道路,從而提高移動設(shè)備和電動汽車的容量、穩(wěn)定性和安全性。
 
       液態(tài)鋰離子電池在生活中應(yīng)用十分廣泛,在很多日常移動設(shè)備中就可以找到。液態(tài)電池具有很多優(yōu)勢,但同時也帶來很多風(fēng)險。例如,近年來,由于電池設(shè)計不當(dāng),導(dǎo)致電解液泄露并起火,從而引起手機(jī)爆炸的新聞層出不窮。
 
       此外,液態(tài)鋰離子電池還存在制造成本高、耐用性低和容量小等問題,因此科學(xué)家們研究出一種新電池:固態(tài)鋰電池(SSLBs)。SSLBs由固體電極和固體電解質(zhì)組成,可在充電和放電期間交換鋰離子。SSLBs也因其高能量密度和高安全性成為強(qiáng)大的動力來源。
 
       但SSLBs的商業(yè)化仍存在許多技術(shù)挑戰(zhàn)。當(dāng)下,研究人員經(jīng)過一系列實驗,研究出可提升SSLBs性能的方法。負(fù)責(zé)這項研究的東京理工大學(xué)的Taro Hitosugi教授解釋到:“高電位材料LiNi0.5Mn1.5O4(LNMO)有望成為SSLBs正極材料。此次研究中,我們展示了電池在2.9和4.7 V電壓下的工作狀況,同時在電解質(zhì)/電極界面實現(xiàn)了容量大且穩(wěn)定的循環(huán),且電阻較低。”
 
       之前的研究表明,在基于LNMO的SSLBs中,清潔的電解質(zhì)/電極界面對于實現(xiàn)低界面電阻和快速充電至關(guān)重要?茖W(xué)家還指出,制造電池時,鋰離子會自發(fā)地從Li3PO4(LPO)電解質(zhì)遷移到LNMO層,從而形成LiNi0.5Mn1.5O4(L2NMO)相,其分布未知,且會影響電池性能。
 
       研究小組還對L2NMO相的狀態(tài)進(jìn)行了研究,分析了在充電和放電過程中Li0Ni0.5Mn1.5O4(L0NMO)和L2NMO相之間的晶體結(jié)構(gòu)變化,在真空環(huán)境中制造的清潔LPO / LNMO界面上L2NMO的初始分布,以及電極厚度的影響。
 
       值得注意的是,在SSLBs的充電和放電過程中,清潔界面促進(jìn)了鋰離子的嵌入和脫嵌。結(jié)果,具有清潔界面的SSLBs的容量是傳統(tǒng)基于LNMO的電池的兩倍。這項研究也是在SSLBs中,首次發(fā)現(xiàn)L0NMO和L2NMO相間存在穩(wěn)定的可逆反應(yīng)。來自日本東北大學(xué)的助理教授Hideyuki Kawasoko以及該研究的主要作者表示:“該發(fā)現(xiàn)證明,形成無污染、干凈的LPO / LNMO界面是增加SSLBs容量、確保界面電阻低的關(guān)鍵,從而實現(xiàn)快速充電。”
 
       除移動設(shè)備外,SSLBs還可以應(yīng)用于電動汽車,也正因為如此,成本和電池耐用性成功阻礙了其商業(yè)化發(fā)展。因此,研究結(jié)果為未來的SSLBs設(shè)計提供了重要的方向,也為從化石燃料向更環(huán)保的運(yùn)輸方式過渡鋪平了道路。
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
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