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在确保安全运行的同时,改善能源存储和延长电池寿命的巨大挑战正变得越来越重要,因为从便携式设备到电动汽车,我们对这种能源的依赖越来越大。由材料科学与工程助理教授袁洋领导的哥伦比亚大学工程团队于2019年4月22日宣布,他们已经开发出一种新的方法,通过植入氮化硼纳米涂层来稳定锂金属电池中的固体电解质,从而安全延长电池寿命,其研究发现发表在《焦耳》上。传统锂离子电池目前广泛应用于日常生活中,但其能量密度较低,导致电池寿命较短。
并且由于电池内部含有高度易燃的液体电解质,可能会短路甚至起火。用锂金属代替锂离子电池中使用的石墨阳极,可以提高能量密度:锂金属的理论充电容量比石墨高近10倍。但在电镀锂的过程中,树突往往会形成,如果它们穿透电池中间的隔膜,就会造成短路,引发人们对电池安全的担忧。研团队决定专注于固体陶瓷电解质,与传统的锂离子电池中的易燃电解质相比,它们在提高安全性和能量密度方面显示出巨大的潜力。对可充电固态锂电池特别感兴趣,因为它们是下一代能源存储的有前景的候选产品,大多数固体电解质是陶瓷的,因此不易燃,消除了安全隐患。
一种人造氮化硼(BN)薄膜在化学和机械上都能抵抗锂,它通过电子方式将磷酸铝钛锂(LATP)与锂隔离,但在被聚氧乙烯(PEO)渗透时仍能提供稳定的离子通道,从而实现稳定的循环。图片:Qian Cheng/Columbia Engineering此外,固体陶瓷电解质具有较高的机械强度,实际上可以抑制锂枝晶的生长,使锂金属成为电池阳极的涂层选择。然而,大多数固体电解质对锂离子不稳定,易被金属锂腐蚀,不能用于电池。该论文的第一作者、应用物理和应用数学学系博士后科学家钱成(音译)说:锂金属对于提高能量密度是不可缺少的,所以我们能够将它用作固体电解质的阳极至关重要。为了使这些不稳定的固体电解质适应实际应用,需要开发一个化学和机械上稳定界面来保护这些固体电解质免受锂阳极的伤害。
为了运输锂离子,界面不仅要具有高度的电子绝缘性,而且还要具有离子导电性,这是至关重要的。此外,该接口必须超薄,以避免降低电池的能量密度。为了应对这些挑战,该团队与布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Lab)和纽约城市大学(City University of New York)同事合作。沉积了5~ 10nm的氮化硼(BN)纳米膜作为保护层,隔离金属锂与离子导体(固态电解质)之间的电接触,并加入少量聚合物或液体电解质渗入电极/电解质界面。选择BN作为保护层,因为它在化学和机械上与金属锂稳定,提供了高度的电子绝缘。设计氮化硼层具有内在缺陷,锂离子可以通过它,使它成为一个优秀的分离器。
(图示)左图显示接触到锂金属的磷酸铝钛锂(LATP)颗粒会立即被还原,锂与固体电解质之间严重的副反应会使电池在几个周期内发生故障。右边显示的是一种人造氮化硼薄膜,它在化学和机械上都能抵抗锂。它通过电子方式将LATP与锂隔离,但当被聚乙烯氧化物(PEO)渗透时,仍能提供稳定的离子通道,从而实现稳定的循环。图片:Qian Cheng/Columbia Engineering
此外,化学气相沉积法制备氮化硼容易形成大尺度(~dm级)、原子薄尺度(~nm级)和连续薄膜。虽然早期研究使用厚度仅为200微米的聚合物保护层,但新研究厚度仅为5~10纳米的BN保护膜在这种保护层极限下仍然很薄,而不会降低电池的能量密度。这是一种完美的材料,可以作为一种屏障,防止金属锂侵入固态电解质。就像防弹背心一样,开发了一种针对不稳定固体电解质的锂金属防弹背心,通过这项创新,实现了长循环寿命的锂金属电池。研究人员目前正在将新方法扩展到不稳定固体电解质的广泛范围,并进一步优化界面,希望制造出高性能、长循环寿命的固态电池。
博科园-科学科普|研究/来自: 哥伦比亚大学工程与应用科学学院参考期刊文献:《Joule》DOI: 10.1016/j.joule.2019.03.022博科园-传递宇宙科学之美
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据悉,特斯拉一项新专利有望将电动汽车动力电池的使用寿命延长至一百万英里(约160万公里),该专利描述了一种用于电池单元的新锂化工艺,该工艺有可能提高电池质量,甚至可能节省成本。以前的加热方法有时会导致名为锂基板Li5AIO4的杂质形成,而降低电池中的锂含量。虽然可以减少污染,但也会使电池的
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导读:这项专利中提到的电解液添加剂系统,能够增强锂离子电池的性能及寿命,可以在包括车辆和电网储能在内的不同储能应用场景中使用。据外媒报道,近日,特斯拉公开了一项新的电池专利,该专利希望通过添加多种电解液添加剂,达到提升电池性能和降低电池成本的目的,最终把特斯拉汽车电池的使用寿命延
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北极星储能网获悉,11月20日,长安汽车在回应投资者时表示,技术路线上,长安汽车着力电芯技术的突破。新型电池方面,正在开展锂硫电池、金属电池等新型电池的原型电芯设计,预计能量密度将突破1300-1500Wh/kg,力争在2035年实现搭载应用。围绕液态电池材料改性、体系优化等开展技术攻关,不断提升电池
电池的应用有着非常重要的意义。动力电池是交通领域实现电气化的核心,能够间接促进二氧化碳排放的大幅减少;电池在储能领域的应用则可以保障可再生能源电力供给的稳定性与可靠性。但如何达到电池既便宜,又能量密度大,还能寿命更长?科学家在进行不断探索,各种技术路线也各显神通。锂离子电池是目前
北极星储能网获悉,4月19日,宁德时代召开凝聚态电池发布会。据悉,宁德时代凝聚态电池能量密度高达500Wh/kg,是宁德时代材料及体系材料创新的最新成果,创造性地让电池在实现高比能的情况下还具备高安全性,并且可快速实现量产,充分满足客户需求。宁德时代针对高比能化学材料的电化学反应变化,采用
电动汽车和3C电子产品续航能力的提升取决于锂离子电池能量密度。锂离子电池正极材料是决定器件能量密度的核心关键。过渡金属层状氧化物(如钴酸锂和镍钴锰三元材料)是被广泛应用的锂离子电池正极材料,具有极高的理论比容量。然而,该类材料的实际容量仅为理论容量的50%-65%,核心瓶颈在于上限电压低
近日,中国科学技术大学化学与材料科学学院陈维教授课题组在国际期刊NatureCommunications发表了题为“Constructingrobustinterfaceforanode-freezincbatterieswithultrahighcapacities”的研究型论文。论文中设计了一种稳定的金属/金属-锌合金异质结界面层,实现了大面容量(200mAh/cm2)下无锌枝晶的
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北极星储能网获悉,近日,恩力动力(EnpowerGreentech,包括在中国、日本、美国的固态电池公司)成功研制出了容量达到4095mAh的18650圆柱电池,达到了行业领先的能量密度(389Wh/kg和888Wh/L)。这一开发成果创造了可充电18650圆柱形电池的新能量密度记录;与目前市场上的电池相比,恩力的电池至少轻20%
电池代有新材出,各领风骚数十年。在过去的一个多世纪,电池行业的发展一直伴随着技术革命。从铅酸电池、镍镉电池,到碱性电池、镍氢电池,再到锂离子电池。如今,比锂离子电池能量密度更高的锂金属电池,正在加速其产业化进程。(来源:微信公众号“电池中国”ID:cbea_battery作者:马斯克斯)日前,
9月23日,国家工信部发布了2020年度新能源汽车监督检查结果,发现共有7家企业的8个车型不符合生产一致性要求。
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