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新型高容量负极材料不断涌现,提升锂离子电池的能量密度和功率性能
清华大学与MIT的研究人员联合开发了一种高容量、长寿命、大倍率的锂离子电池负极材料。这种材料由纳米铝和TiO2组成核壳结构,可以在10C倍率下循环500次,并且放电容量超过650mAh/g,对于提升锂离子电池的功率性能和能量密度具有重要意义。铝作为锂离子电池负极虽然具有较高的理论容量,但是在循环过程中会出现体积膨胀、结构坍塌等问题,因此循环寿命短,无法实际应用。该项研究成果可以极大地推动铝在锂离子电池负极材料中的应用。
硅负极材料一直是锂离子电池负极材料研究的重点体系,近年来硅负极材料的性能不断得到突破,以硅为负极材料的锂离子电池已经开始准商业化应用。ASA 的Game Changing Development (GCD) 项目进入第二阶段,目的是为未来美国外太空探索开发先进、大容量、长寿命的电池系统。在选定的两项储能技术中,其中一项就是加州Amprius公司基于硅负极材料的高比能量锂离子电池系统。
2015年三星先进技术研究院借助石墨烯开发了一种高容量的复合硅负极材料,有效解决了硅负极材料的体积膨胀问题,大幅提升锂离子电池的体积容量。与LiCoO2组成电池,该体系在第一周和第200周的体积能量密度分别为972和700Wh/L,比目前商业钴酸锂电池产品提升1.8和1.5倍。
开发固态电解质体系,提升电池的安全性能
与LiPF6等传统液态电解液体系不同,固态电解质具有优秀的安全性能,可以大大降低电池体系的热膨胀、避免电解液恢复泄露问题以及枝晶生长造成的短路问题。
来自MIT、三星先进技术研究院、加州大学圣迭戈分校、马里兰大学等机构的科研人员共同发表研究成果,开发了一种锂、锗、磷和硫元素组成的固体锂离子电解质并研究了有利于离子快速迁移的结构和路径,为开发固态电解质体系奠定了基础。
2015年PATHION公司获得Los Alamos National Laboratories的专利授权,日前开发并推出两种新型超离子固态电解质材料,并得到ARPA-E项目的支持。第一种为LiRAP材料(Lithium-Rich Anti-Perovskite,富锂的反尖晶石材料),可以用于锂离子电池和锂硫电池。LiRAP固体电解质材料除了对Li+具有良好的传导性,还可以直接使用金属锂做负极并且实现高电压和高电流,从而大大提升固态电解质体系的能量和功率密度。第二种为LiGlass材料类,可以用于钠离子电池,LiGlass在室温至200度的范围内都可以实现超快的钠离子传导,能量密度达到1000Wh/kg。
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