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斯坦福研發(fā)新型電解液制鋰金屬電池 可減輕電動汽車重量/延長續(xù)航
時間:2020-07-23 11:25來源:蓋世汽車 作者:余秋云
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（圖片來源：斯坦福大學(xué)）
據(jù)外媒報道，美國斯坦福大學(xué)（Stanford University）的科學(xué)家發(fā)明了一種新型鋰基電解液，可能為下一代純電動汽車的發(fā)展鋪平道路。斯坦福大學(xué)的研究人員們展示了，其新型電解液設(shè)計可以提升鋰金屬電池的性能，而鋰金屬電池是一種很有前景的技術(shù)，能夠為電動汽車、筆記本電腦和其他設(shè)備提供動力。
該研究的合著者Yi Cui表示：“大多數(shù)電動汽車所用的鋰離子電池的能量密度正迅速接近理論極限，因此我們的研究集中在鋰金屬電池，此種電池比鋰離子電池更輕，單位重量和體積提供的能量更多。”
廣泛用于智能手機(jī)、電動汽車等各種產(chǎn)品中的鋰離子電池有兩個電極，一個含有鋰的陰極以及一個通常由石墨制成的陽極。當(dāng)電池被使用以及在充電時，電解質(zhì)溶液就會讓鋰離子在陽極和陰極之間來回穿梭。
與如今傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，鋰金屬電池每千克可多容納一倍的電力，只需用鋰金屬取代石墨陽極，就可以存儲更多的能量。
該研究另一名合著者Zhenan Bao表示：“對于電動汽車而言，鋰金屬電池非常有發(fā)展前景，但是其重量和體積是一個大問題。在運(yùn)行過程中，鋰金屬陽極會與液體電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致陽極表面會有稱作樹突的鋰微結(jié)構(gòu)生長，從而導(dǎo)致電池起火以及失效。”
研究人員們花費(fèi)了數(shù)十年的時間，以解決鋰金屬電池的樹突問題。
（圖片來源：斯坦福大學(xué)）
該研究的合著者、化學(xué)系研究生Zhiao Yu表示：“電解液一直是鋰金屬電池的阿喀琉斯之踵，我們在研究中采用了有機(jī)化學(xué)，以合理的方式為此類電池設(shè)計和打造穩(wěn)定的新型電池電解液。”
在該項研究中，研究人員們探討了是否可以用一種普通的、已實現(xiàn)商用的液體電解質(zhì)來解決穩(wěn)定性的問題。
Yu表示：“我們假設(shè)，在電解液分子中加入氟原子會讓電解液更穩(wěn)定。氟是鋰電池電解液中廣泛使用的元素，我們利用其能夠吸引電子的能力，打造了一種新分子，讓鋰金屬陽極能夠在電解液中發(fā)揮良好的作用。”結(jié)果制成了一種新型合成化合物，縮寫為FDMB，而且可以實現(xiàn)批量生產(chǎn)。
Bao表示：“電解液設(shè)計變得越來越奇特，有些雖然效果不錯，但是制造成本很高。而FDMB分子卻可以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，而且非常便宜。”
斯坦福大學(xué)團(tuán)隊在鋰金屬電池中測試了此種新型電解液，結(jié)果非常好。經(jīng)過420次充放電循環(huán)，實驗電池仍保有90%的初始電量。在實驗室中，普通的鋰金屬電池在大約30次充放電循環(huán)后就會停止工作。
研究人員們還測量了，在充放電過程中，鋰離子在陽極和陰極之間轉(zhuǎn)移的效率，該特性稱為“庫倫效率（coulombic efficiency）。”
Cui表示：“如果給1000個鋰離子充電，放電之后，可以回收到多少了鋰離子呢？理想情況下，庫倫效率達(dá)到100%，就可以回收到1000個。如果要想能夠商用，電池的庫倫效率要達(dá)到99.9%。而在我們的研究中，一半電池芯的庫倫效率達(dá)到了99.52%，所有電池芯的庫倫效率達(dá)到了99.98%，表現(xiàn)令人難以置信。”
為了可能會用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品的鋰金屬電池，斯坦福大學(xué)研究小組還測試了FDMB電解液在無陽極鋰金屬軟包電池中的應(yīng)用，此種電池已經(jīng)實現(xiàn)商用，陰極會向陽極提供鋰。
該研究合著者兼材料科學(xué)與工程系研究生Hansen Wang表示：“我們的想法是只用陰極一側(cè)的鋰，以減輕電池重量。該款無陽極電池在容量下降至80%之前，可以充放電循環(huán)100次，雖然無法媲美同等容量的鋰離子電池（可以充放電循環(huán)500至1000次），但仍是性能最好的無陽極電池之一。研究結(jié)果顯示，該款電池可廣泛用于各種設(shè)備，輕型、無陽極電池將成為無人機(jī)和許多消費(fèi)電子產(chǎn)品一個吸引客戶的特性。”
美國能源部正在資助一個名為Battery500的大型研究團(tuán)體，以實現(xiàn)鋰金屬電池，從而讓汽車制造商能夠打造更輕、續(xù)航里程更長的電動汽車。該研究的部分資助也來自該團(tuán)體，而該團(tuán)體包括斯坦福大學(xué)和SLAC國家加速器實驗室。
通過改進(jìn)陽極、電解質(zhì)和其他電池組件，Battery500的目標(biāo)是將鋰金屬電池的電量提高近2倍，從2016年的180瓦時/千克提升至500瓦時/千克。更高的能量-重量比，或者更高的“比能”才是解決電動汽車買家續(xù)航里程焦慮的關(guān)鍵。
Cui表示：“我們在實驗室打造的無陽極電池的比能達(dá)到了325瓦時/千克，相當(dāng)可觀。我們的下一步是與Battery500的其他研究人員合作，打造接近該團(tuán)隊目標(biāo)的500瓦時/千克的電池。”
除了具有更長的循環(huán)壽命和更好的穩(wěn)定性，與傳統(tǒng)電解液相比，F(xiàn)DMB電解液也更不易燃。
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