鉅大LARGE | 點擊量：568次 | 2021年12月16日
日本科學(xué)家證明保持電解質(zhì)干凈無雜質(zhì)可以提高固態(tài)電池容量
東京工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)、國立先進工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所、日本工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家通過實驗證明，清潔的電解液/電極界面是實現(xiàn)大容量固態(tài)鋰電池的關(guān)鍵。他們的發(fā)現(xiàn)為改進電池設(shè)計鋪平了道路，提高了移動設(shè)備和電動汽車的容量、穩(wěn)定性和安全性。
液態(tài)鋰離子電池無處不在，存在于大多數(shù)日常移動設(shè)備中。雖然液基電池具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，但也存在著顯著的風(fēng)險。最近幾年，有報道稱智能手機因設(shè)計錯誤起火，導(dǎo)致電池的液體電解質(zhì)泄漏起火，公眾對此已經(jīng)很清楚。
制造成本、耐用性和容量等其他缺點導(dǎo)致科學(xué)家們開始研究另一種技術(shù)：固態(tài)鋰電池（SSLBs）。SSLBs包括在充電和放電期間交換鋰離子的固體電極和固體電解質(zhì)。它們更高的能量密度和安全性使得SSLBs成為非常強大的能源。
然而，仍然有許多技術(shù)挑戰(zhàn)阻礙了SSLBs的商業(yè)化。在目前的研究中，研究人員進行了一系列的實驗，并獲得了將SSLBs的性能提升到一個新水平的見解。領(lǐng)導(dǎo)這項研究的東京理工大學(xué)的TaroHitosugi教授解釋了他們的動機：“LiNi0.5Mn1.5O4（LNMO）是一種很有前途的SSLBs正極材料，因為它可以產(chǎn)生相對較高的電壓。在這項研究中，我們展示了電池在2.9和4.7V電壓下的運行，同時實現(xiàn)了大容量、穩(wěn)定循環(huán)和電解質(zhì)/電極界面的低電阻。”
以往的研究表明，在LNMO基SSLBs中，產(chǎn)生清潔的電解液/電極界面是實現(xiàn)低界面電阻和快速充電的關(guān)鍵。科學(xué)家們還注意到，鋰離子在制造時會自發(fā)地從Li3PO4（LPO）電解質(zhì)遷移到LNMO層，在LNMO中形成LiNi0.5Mn1.5O4（L2NMO）相，其分布和對電池性能的影響未知。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
研究小組調(diào)查了L2NMO相的情況，分析了Li0Ni0.5Mn1.5O4（L0NMO）和L2NMO相在充放電過程中晶體結(jié)構(gòu)的變化。他們還研究了L2NMO在真空中制造的清潔LPO/LNMO界面上的初始分布，以及電極厚度的影響。
令人驚訝的是，干凈的界面促進了鋰在SSLBs充放電過程中的插層和脫層。因此，具有干凈接口的SSLBs的容量是傳統(tǒng)LNMO基電池的兩倍。此外，本研究首次發(fā)現(xiàn)了SSLBs中L0NMO相與L2NMO相之間穩(wěn)定的可逆反應(yīng)。
東北大學(xué)助理教授HideyukiKawasoko是這項研究的主要作者，他說：“我們的研究結(jié)果表明，形成一個無污染、清潔的LPO/LNMO界面是提高SSLBs容量的關(guān)鍵，同時確?？焖俪潆姷牡徒缑骐娮琛！?/p>
除了移動設(shè)備，SSLBs還可以在電動汽車中找到一個家，因為電動汽車的成本和電池耐久性是其廣泛商業(yè)化的主要障礙。這項研究的結(jié)果為未來的SSLB設(shè)計提供了重要的啟示，并為從化石燃料向更環(huán)保的交通方式過渡鋪平了道路。密切關(guān)注SSLBs的出現(xiàn)！
固態(tài)電池將成為趨勢
自1991年商業(yè)化以來，鋰離子電池已在世界范圍內(nèi)獲得成功。但是，這不能掩蓋它們在安全性，性能，外形尺寸和成本方面的固有局限性。
當(dāng)前大多數(shù)鋰離子技術(shù)都使用液體電解質(zhì)，并在有機溶劑中添加鋰鹽，例如LiPF6，LiBF4或LiClO4。然而，由于電解質(zhì)在負(fù)極上的分解而導(dǎo)致的固體電解質(zhì)界面限制了有效電導(dǎo)率。此外，液體電解質(zhì)需要昂貴的膜來分隔陰極和陽極，以及不滲透的外殼以避免泄漏。因此，這些電池的尺寸和設(shè)計自由度受到限制。此外，液體電解質(zhì)使用易燃和腐蝕性液體，因此存在安全和健康問題。三星的Firegate特別強調(diào)了使用易燃液體電解質(zhì)時，即使是大公司也面臨的風(fēng)險。
當(dāng)前的高端鋰離子電池在電池單元級別的能量密度可以達到700Wh/L以上，電動汽車的最大行駛范圍約為500Km。改進的高鎳陰極材料可以進一步推動能量密度，但是活性材料的特性可能會產(chǎn)生閾值。
固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)方法
固態(tài)電池可以改變游戲規(guī)則
固態(tài)電解質(zhì)可以整合性能更好的材料，例如鋰金屬和高壓陰極材料。然而，已經(jīng)觀察到，早期的固態(tài)電池可以包含相似類型的活性電極材料，其中液體電解質(zhì)被固態(tài)電解質(zhì)代替。在這種情況下，就能量密度而言，固態(tài)電池沒有比液態(tài)鋰離子電池明顯的優(yōu)勢。
但是，在這種情況下，固態(tài)電池仍可提供價值。由于電極和電解質(zhì)都是固態(tài)的，因此固體電解質(zhì)也可以充當(dāng)隔板，從而由于消除了某些組件（例如隔板和外殼）而減少了體積和重量。它們可以使電池組中的電池單元更緊湊地布置。例如，雙極布置可在電池單元級別實現(xiàn)更高的電壓和容量。簡化的連接為電池組中的更多電池提供了額外的空間。
另外，去除易燃液體電解質(zhì)可以成為更安全，持久的電池的一種途徑，因為它們對溫度變化和使用過程中發(fā)生的物理損壞具有更高的抵抗力。固態(tài)電池可以在降解之前處理更多的充電/放電循環(huán)，從而保證更長的使用壽命。更好的安全性意味著電池模塊/電池組中更少的安全監(jiān)控電子設(shè)備。
因此，即使最初幾代的固態(tài)電池也可以具有與常規(guī)鋰離子電池相似或什至更低的能量密度，電池組中可用的能量可以與后者相當(dāng)或更高。
由于固體電解質(zhì)可以提供更大的電化學(xué)窗口，因此可以使用高壓陰極材料。此外，高能量密度的鋰金屬陽極可進一步將能量密度推至1,000Wh/L以上。這些功能可以進一步改變固態(tài)電池的游戲規(guī)則。
競爭技術(shù)使決策變得困難
對各種固態(tài)電池公司的投資反映了固態(tài)電池的巨大潛力。但是，固態(tài)電池并非僅基于單一技術(shù)。相反，行業(yè)中有多種技術(shù)方法可用。固態(tài)電解質(zhì)可大致分為三類：有機類型，無機類型和復(fù)合類型。在無機類別中，LISICON類，銀輝石，石榴石，NASICON類，鈣鈦礦，LiPON，氫化鋰和鹵化鋰被認(rèn)為是8種流行類型。類LISICON和類銀輝石屬于硫化物體系，而石榴石，類NASICON，鈣鈦礦和LiPON則基于氧化物體系。
到目前為止，聚合物，氧化物和硫化物系統(tǒng)之間的競爭尚不清楚，通?？吹诫姵毓緡L試多種方法。聚合物系統(tǒng)易于加工且最接近商業(yè)化，而相對較高的工作溫度，較低的抗氧化電位和較差的穩(wěn)定性則表明了挑戰(zhàn)。硫化物電解質(zhì)具有高離子電導(dǎo)率，較低的加工溫度，寬的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口等優(yōu)點。許多功能使它們具有吸引力，被許多人視為最終選擇。然而，制造的困難以及在該過程中可能產(chǎn)生的有毒副產(chǎn)物使得商業(yè)化相對緩慢。氧化物體系穩(wěn)定且安全，而較高的界面電阻和較高的加工溫度通常顯示出一些困難。
