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    可以在極熱、極冷環境下工作的高能量密度電池

    技術前瞻  Technology prospect

    可以在極熱、極冷環境下工作的高能量密度電池

    來源:
    發布時間:
    2022/10/11
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    來自加利福尼亞大學圣地亞哥分校UC San Diego)的研究人員在加熱到50°C的烤箱中測試軟包電池的高性能。先進電解液促進鋰硫電池的研發,可在極端溫度下發揮良好性能。

    一種用于鋰硫電池的液體電解質為在高溫和低溫下工作鋪平了道路。

    雖然鋰基電池成為許多電子設備以及電動汽車的業界標準,但它們在極端溫度下不可以正常工作,這將給鋰基電池在未來的發展帶來困難。

    幸虧有來自加利福尼亞大學圣地亞哥分校的工程師,他們或許改變這種現象,工程師們研發的鋰硫電池在光譜兩端的極端溫度下表現性能良好,比如,即使在高能量密度下運行,也可以極冷或極熱的情況下正常工作。

    研究人員表示,該發明為電動汽車充電一次可在嚴寒氣候下行駛更遠鋪平了道路。他們表示,這樣還可以通過減少甚至消除冷卻系統的需要來節省制造商的資金,冷卻系統可以防止電池在極端炎熱的地方過熱。

    負責研究的加州大學圣地亞哥分校雅各布斯工程學院納米工程教授Zheng Chen在采訪中表示,由于電動汽車電池組通常位于汽車底部,暴露在炎熱的道路上,需要“在環境溫度能達到三位數的區域進行高溫操作。”

    同時也是加州大學圣地亞哥分??沙掷m電力和能源中心教員的Chen教授說“電池在運行過程中只要有電流通過就會發熱。如果電池不能忍受這種高溫預熱,它們的性能將迅速下降。”

    影響因素

    研究人員說,這種新穎設計的關鍵是由Chen的團隊開發的一種新型電解質,它可以在很寬的溫度范圍內發揮最佳作用。它還具有與高能陽極和陰極的兼容性,以促進一個完整的原型設備的發展。

    該電解液由二丁基醚的液體溶液與鋰鹽混合而成。研究人員說,正是這種材料的液體部分賦予了它在極端溫度下工作的能力。

    二丁基醚的特殊特性是其分子與鋰離子結合較弱;這意味著電解液分子可以在電池運行時輕易釋放鋰離子。研究人員在之前的研究中發現了這種弱分子相互作用,他們發現在零度以下的溫度環境下可以改善電池性能。

    研究人員說,這種液體在高溫下也能很好地工作,因為其沸點在141攝氏度(C/286華氏度(F),在高溫狀態下仍保持液態。

    鋰硫未來?

    雖然這種電解質在極端溫度下工作的能力很好,但研究人員說,除非它能與鋰硫電池兼容,否則它對這項特殊的研究沒有用處。他們說,事實上,它似乎可以防止鋰硫電池內部的一些關鍵反應,這些反應阻礙了鋰硫電池在電動汽車和其他應用領域的長期生存能力。

    鋰硫電池由鋰金屬制成的陽極和硫基陰極組成??茖W家們相信它們將成為未來最主要的電池設計,因為它們每千克能比目前的鋰離子設計多儲存兩倍的能量——就電動汽車而言,這可以在不加重電池組重量的情況下使續航里程翻倍。

    這些設備還可以降低制造成本,尤其是因為其核心使用地質豐富的材料來代替鋰,鋰的來源既復雜又不道德。

    然而,鋰硫電池并非毫無缺點;陰極與陽極存在固有的性能問題,這使得之前的設備無法持續數十個循環以上。

    硫陰極在電池運行期間易分解,這種情況在高溫環境更易惡化。此外,鋰金屬陽極易形成枝晶,刺穿電池,導致電池失效,有時甚至會造成災難性的后果。

    Chen承認,所有這些使得開發一種能夠在高能量密度下工作的鋰硫電池成為一項艱巨的任務,這是電動汽車的要求,當它必須在較寬的溫度范圍內工作時,這就變得更加復雜。

    他在新聞發言中表示:“如果想要高能量密度的電池,通常需要使用非??量糖覐碗s的化學物質。高能意味著發生更多的反應,穩定性降低,降解加劇。”

    電解質的拯救

    幸運的是,研究人員發現即使在高溫與低溫的環境下,由圣地亞哥團隊研發的二丁基醚電解液可有效阻止這些問題。該團隊還將硫陰極嫁接到一種聚合物上,使其更加穩定,他們表示,這樣可以防止更多的硫溶解到電解液中。

    研究人員發現,在實驗室測試中,這種設備可以比典型的鋰硫電池維持更長的循環壽命。

    具體而言,概念驗證電池可分別在-40度和50度(-104華氏度和122華氏度)維持87.5%115.9%的能量容量。研究人員表示,在這些溫度下,電池的庫侖效率也很高,分別為98.2%98.7%,這意味著電池在停止工作前可以經歷更多的充電和放電循環。

    Chen在新聞發言中表示:“我們的電解液有效改善了陰極與陽極,同時提供高導電性和界面穩定性。”

    研究人員在《Proceedings of the National Academy of Sciences》(PNAS)雜志中發表相關論文。

    該團隊計劃繼續在電池化學方面進行研究。研究人員表示,他們希望對其進行優化,使其在溫度范圍兩端的更高溫度下工作,并進一步延長其循環壽命。

    中國化學與物理電源行業協會 楊柳翻譯

    2022.10.10

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