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560 Wh/kg！新型鋰電池能量密度創(chuàng)新記錄 電動汽車有望受益
時間:2021-08-28 15:33來源:科創(chuàng)板日報 作者:綜合報道
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為了讓電動汽車更快地普及，就必須不斷提高其續(xù)航時間，因此科學(xué)家們一直以來都在加緊研究可以儲存更多能量且不會太重的電池。
近期，德國的一個團隊展示了一種新的鋰金屬電池，其能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了普遍的500 wh /kg的基準(zhǔn)，并且能夠在數(shù)百次循環(huán)中依舊保持性能。這項研究成果已于近日發(fā)表在了《焦耳》（Joule）雜志上。
從電動汽車到智能手機，再到筆記本電腦，如今的鋰離子電池在維持現(xiàn)代世界運轉(zhuǎn)方面做得非常出色，但科學(xué)家們認(rèn)為，通過對其結(jié)構(gòu)的微調(diào)，還可以釋放出很多潛力。更有希望的可能性之一是用純鋰金屬替換電池電極中的石墨，這種材料可以容納10倍的能量。
因此，金屬鋰被一些電池研究人員譽為“夢想材料”，很可能幫助我們突破能量存儲的關(guān)鍵瓶頸，但穩(wěn)定性問題迄今一直困擾著這項技術(shù)。這在很大程度上與攜帶鋰離子的電解質(zhì)溶液和電池的兩個電極之間的不良反應(yīng)有關(guān)。
在眾多致力于解決這一問題的研究團隊中，有一個來自德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（Karlsruhe Institute of Technology，簡稱KIT）和烏爾姆亥姆霍茲學(xué)院（Helmholtz Institute Ulm，簡稱HIU）的團隊，他們提出的設(shè)計在很大程度上回避了這一問題。
據(jù)了解，研究人員首先使用了一種很用前途的材料組合：貧鈷、富鎳的層狀陰極（NCM88）和一種商業(yè)可用的有機電解質(zhì)LP30。但當(dāng)陰極達到高能量密度時，不穩(wěn)定性很快就出現(xiàn)了，隨著電池的循環(huán)，存儲容量下降。
“在電解液LP30中，粒子會在陰極上裂開，”HIU主任Stefano Passerini教授解釋說，“在這些裂縫中，電解液會發(fā)生反應(yīng)，破壞結(jié)構(gòu)。此外，陽極上還會形成一層厚厚的苔蘚狀鋰層。”
因此，該團隊將LP30電解質(zhì)換成了另一種電解質(zhì)，這種電解質(zhì)極大地提高了性能。后者被描述為一種不揮發(fā)、極易燃的雙陰離子離子液體電解質(zhì)（ILE），這種成分被證明在很大程度上避免了陰極上的結(jié)構(gòu)缺陷，并使電池免于致命的電化學(xué)反應(yīng)。
研究人員指出，“在ILE的幫助下，富鎳陰極上的不良反應(yīng)可以顯著減少。”
值得注意的是，這種結(jié)構(gòu)的鋰金屬電池的能量密度為560 Wh/kg。為了給下一代電動汽車提供動力，科學(xué)家們都致力于突破500 Wh/kg的能量密度門檻，而目前最好的鋰離子電池的能量密度也僅為250至300 Wh/kg。
另外，這種新型鋰金屬電池被證明非常有前景的另一個因素是它的庫侖效率，這涉及鋰離子在陽極和陰極之間轉(zhuǎn)移的效率。為100個鋰離子充電，放電后再回收100個鋰離子，其庫侖效率將達到100%，而商用電池至少需要99.9%的效率才可行。這種新型鋰金屬電池的發(fā)明者稱其平均庫侖效率為99.94%。
不過誠然，要將這些在實驗室規(guī)模的電池上有希望的結(jié)果變成現(xiàn)實，還有很多工作要做，但一種提供如此高能量密度的穩(wěn)定電池可能會改變電力運輸?shù)挠螒蛞?guī)則。
例如，電動飛機受到當(dāng)今電池能量密度的嚴(yán)重限制，因此只能飛行相對較短的距離。電動汽車的續(xù)航里程有限可以通過擴大充電基礎(chǔ)設(shè)施來解決，但這種電池的高能量密度可以讓它們行駛更遠(yuǎn)的距離，并在很大程度上緩解潛在買家所謂的續(xù)航里程焦慮。
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