能源,权力

锂电池的开发前台用于电动车辆,更多

美国能源部的一个科学家团队的太平洋西北部国家实验室创造了一个锂金属电池,持续600个周期,这使得它更接近锂离子电池的生命周期。

汤姆里古基 2021年7月1日
礼貌:太平洋西北国家实验室杰晓

美国能源部的科学家团队太平洋西北国家实验室创造了持续600个循环的锂金属电池,远远超过其他报告的结果。它可以在它模具前充满电并排放600次。

研究人员已经增加了一个有前途的电动车电池到记录水平的寿命,这是朝着未来电动车辆更轻,昂贵和持久的电池的目标的重要一步。这些电池被视为解决气候变化影响的解决方案的重要组成部分,科学家们正在探索令人耳目敬的选项。

一个即将出现的解决方案是为电动汽车提供锂金属电池。这些电池的能量几乎是广泛使用的锂离子电池的两倍,而且它们更轻。这种组合带来了一种诱人的前景,即一种更轻、一次充电行驶更远的电动汽车。问题是实验室里的锂金属电池一直受到过早死亡的困扰,寿命只有现在锂离子电池的一小部分。

这是一个有前途的技术向前迈出的一大步,但锂金属技术尚未准备好基金。虽然当今电动汽车中使用的锂离子电池持有较少的能量和最后至少1000个循环。由于它们与有效的锂金属电池,车辆将不会沿着一笔充电。

这项研究是由能源部完成的电池500联盟创新中心,由PNNL领导的多机构努力开发较轻的电动车电池,比目前使用的电动车电池更浅,更能力和更便宜。PNNL领导联盟,负责将合作机构的最新进展整合到称为高能量袋细胞的装置中,并在现实条件下展示改进的性能。

锂金属:锂锂的细条转化为更长的寿命

PNNL团队通过采取令人惊讶的方法找到了一种提高电池寿命的方法。该团队代替使用更多锂电片的阳极,而是使用令人难以置信的锂锂,只有20微米宽,比人发的宽度更薄。

“许多人认为厚厚的锂会使电池能够更长的时间来循环,”刘刘刘军,电池500财团总监Jie Xiao说,是该论文的相应作者自然能源日报》。但这并不总是正确的。根据电池的能量和设计,每个锂金属电池都有一个优化的厚度。”

由电池500团队创建的锂金属电池的能量密度为每公斤350瓦(WH / kg)。新发现的价值与电池的寿命有关。在600次循环之后,电池保留了其初始容量的76%。

就在四年前,一种实验性的锂金属电池可以循环使用50次。这一数字增长迅速;两年前,PNNL团队完成了200个循环,现在是600个。此外,PNNL电池是一种袋状电池,它比硬币电池更接近真实世界的情况,硬币电池在许多电池研究项目中都是一种不太现实的设备。

PNNL团队在袋细胞(顶部)上工作,与硬币细胞(底部)相比,这更加真实。礼貌:太平洋西北国家实验室杰晓

PNNL团队在袋细胞(顶部)上工作,与硬币细胞(底部)相比,这更加真实。礼貌:太平洋西北国家实验室杰晓

金属锂:为什么厚度很重要

该团队的决定尝试较薄的锂条是基于其对阳极分子动态的详细了解。科学家们发现较厚的条带直接导致电池发生效果,这是由于阳极上的膜上的复杂反应,称为固体电解质差异,或SEI。SEI是锂与电解质之间的副反应的副产物。它充当一个重要的门守,允许某些分子从阳极从阳极到电解质并再次返回,同时保持在海湾处的其他分子。

这是一份重要的工作。SEI工作有效地允许某些锂离子通过但限制了降低电池性能并加速细胞衰竭的不需要的化学反应。研究人员的主要目标是减少电解质和锂金属之间的不需要的副反应 - 以促进抑制不需要的副作用的化学反应。

该团队发现,较薄的锂条善于创造一个可能被称为好的SEI,而较厚的条有更高的机会贡献一个可能被称为有害的SEI。在他们的论文中,研究人员使用了术语“湿SEI”和“干SEI”。湿版本保持液体电解质和阳极之间的接触,使重要的电化学反应成为可能。

但是在干的版本中,液态电解质不能到达所有的锂。简单地说,因为锂条更厚,电解质需要流入更深的锂口袋,而这样做,它会使锂的其他部分干燥。这阻止了重要反应的发生,有效地抑制了必要的电化学反应,并直接导致电池的过早死亡。

左图像显示电解质(蓝色)在薄锂阳极内填充口袋,产生有效湿的SEI(绿色)。右侧图像显示了较厚的锂阳极发生的内容:电解质必须深入,耗尽大部分电解质并导致SEI在很大程度上干燥和无效。礼貌:迈克珀金斯,太平洋西北国家实验室

左图像显示电解质(蓝色)在薄锂阳极内填充口袋,产生有效湿的SEI(绿色)。右侧图像显示了较厚的锂阳极发生的内容:电解质必须深入,耗尽大部分电解质并导致SEI在很大程度上干燥和无效。礼貌:迈克珀金斯,太平洋西北国家实验室

这是一个重要的问题,特别是在现实电池就像育儿袋电池,它的电解液量比实验硬币电池少20到30倍。

试想一下,如果每次使用煎锅后没有彻底清洗,它是如何逐渐堆积起一层油脂的。随着时间的推移,这一层逐渐形成,起到了屏障的作用,减少了能量的流动,使表面的效率降低。以同样的方式,一个不需要的,干燥的SEI层阻止了有效的能量需要在电池内部转移。

锂金属电池已经取得了长足的进步,其目标是增加储存在长时间、安全、价格合理的电池中的能量。更多的能量每磅材料转化成一个更轻的汽车,可以走更远的充电。今天的电动汽车电池在200-250 Wh/kg左右;电池500的目标电池水平为500wh /kg。

“电池500联盟在增加能量密度和延长循环寿命方面取得了巨大进展,”宾厄姆顿大学杰出教授M.斯坦利·惠廷汉姆(M. Stanley Whittingham)说。他是2019年诺贝尔化学奖获得者,也是这篇论文的合著者。“但需要做的还有很多。尤其是锂金属电池的安全问题必须得到解决。这是电池500团队正在努力解决的问题。”

- 由Chris Vavra,Web Content Manager编辑,控制工程,CFE媒体和技术,cvavra@cfemedia.com.


汤姆里克
作者生物:汤姆里克,高级科学作家,新闻和媒体团队,太平洋西北国家实验室