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美国研发新型锂电池混合固体电解质  

2016-01-06 17:59:35|  分类: 电子技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室科学家Nitash Balsara以及北卡罗莱纳大学Joseph DeSimone联合研究出一种高导电混合电解质,结合了两种主要类型的固体电解质--聚合物和玻璃。
    Balsara表示:“电解质具有兼容性,在电池进行循环时,可变形保持与电极接触。这种固体电解质还具有前所未有室温电导率”。
    电解质承载电池阴极和阳极之间的电荷,大多数商用电池都是使用的电解液。研究人员正在努力开发出一种全部使用固体成分的电池,性能更好,持续时间更长,安全性更高。
    这两种固体电解质:聚合物和玻璃或陶瓷,都有自身的问题。聚合物电解质在室温下导电性不好,需要被加热。然而陶瓷电解质,在室温下导电性能很好,但需要一个很大的压力作用,以保持与电极接触。
    这种玻璃-聚合物混合电解质,取玻璃颗粒,将全氟聚醚链附着到玻璃颗粒的表面,加入盐,然后从这些组成成分中制做出薄膜。通过调整聚合物与玻璃的配比,这样就能产生出一种兼容性强的电解质,室温条件下具有高导电性和优异的电化学稳定性。
    虽然导电率不如那一种液体电解质那么强,低10~15倍。但是对于一些应用来说已经足够了。而且我们不需要液体电解质那么高的导电性,因为混合电解质中的所有电流都是由锂离子承载的,而传统的锂电解质,只有20%到30%的电流是由锂离子承载。
    “人们都用5V的阴极,但是对于5伏阴极能够保持稳定性的电解质目前还没有”。Balsara表示,“但是我们已证明这种电解质对于5V阴极能够保持稳定性”。
    进一步的实验表明,该混合电解质非常适合于硫阴极,运行电压低,而且发电量高,价格便宜。另外,和传统液体电解质的锂硫电池不同,这种玻璃-高分子混合电解质具有不溶性。
    研究人员在PNAS文章中写道:虽然仍有许多工作要做,我们的工作将开启混合固体电解质一条未知的道路,将解决锂电池的当前挑战。能源部的科学办公室为此研究提供资金。
美国研发新型锂电池混合固体电解质 - STAR - 电子元器件
  不同于液态电解质,固态电解质具有极低的膨胀率,省去析气(out-gassing)过程,抑制了阳极和阴极之间的枝晶生长(可能会影响性能),延长了电池寿命。LiRAP固体电解质中的Li离子在高电压和高电流状态下导电效果更佳,并能提升能量密度、电池电量以及使用安全。
  目前PATHION正致力于锂硫电池以及钠离子电池的研发及改进工作。锂硫电池固态电解质同样基于LiRAP,不过目前高能量密度锂硫电池尚未进行商用化的一大障碍是,其电量损耗较快,稳定性不足且循环效率较低,主要是由于其涉及复杂的反应原理,包括锂离子聚硫化物的可溶性不尽相同。
  基于Li 3ClO的玻璃电解质则可以充当阻止聚硫化物扩散进锂离子的“屏障”,此外,PATHION经过多项实验还发现,使用高效的硫离子阴极可以带来高达6.9毫克/平方厘米的硫密度。
  将上述玻璃电解质和高效的硫离子阴极两种因素结合,将大大改善充电效率,并延长电池寿命。目前市场上最好的商用锂电池比能仅为250瓦时/千克,而锂硫电池比能为前者的三倍多,高达800瓦时/千克。此外,新的锂硫材料既可以用在电池上,也可以应用于超级电容器。
  PATHION展示的钠离子电池中使用了一种称作Li Glass的固体电解质。在维持性能的基础上,Li Glass在正常室温下或200高温下能够带来超快的离子电导率,能量密度超过1000瓦时/千克。
  美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员最初研发LiRAP超离子固态电解质,主要用于与金属锂阳极以及可再充电的阴极。这种新材料具有极大的Li离子空位和晶格缺陷,从而在低能量壁垒下加快锂离子转化。


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