新加坡科学家研发新型半固态电解质,可提高锂硫电池安全性

新加坡科学家研发新型半固态电解质,可提高锂硫电池安全性

据外媒报道,当今的锂电池由阴极,阳极和液体电解质组成,该液体电解质在充电和放电时在锂离子之间来回传递(www.66440.cn)。最近,科学家一直在研究电解质的更多固态形式可能带来什么,特别是在安全性方面。

新加坡的科学家们现在正在研究一种新型的半固态电解质,这种电解质可以提高锂硫电池的安全性,锂硫电池在储能方面具有巨大的尚未开发的潜力。目前,这项研究发表在《纳米能源》杂志上。

对于该领域的研究人员而言,一种工作可靠的锂硫电池的前景(而不是目前普遍使用的锂离子化学方法)令人兴奋。这是因为它们每单位重量最多可以容纳五倍的能量,但是主要障碍是它们提供的寿命短得多,而这些材料通常会迅速劣化并破裂。

因此,科学家们正在研究可以克服这一问题的新型电池架构,最近又出现了一些有希望的突破。这些是通过重新构想的电池组件实现的,这些组件包括混合阴极,完全固态的电解质和新的桥接键,这些键为硫颗粒提供了“呼吸的空间”。

现在,NBL研究团队设计出一种混合准固态电解质,将Li7La3Zr2O12 (LLZO)薄片制成可以吸收液体电解质的多孔膜。该团队还开发了制备LLZO薄片的新方法,用于构建电解质框架,并将这种制作3D框架的一步法,命名为“纸杯蛋糕法”。

然后加热该“杯子蛋糕”将导致形成液体注入的多孔膜,该膜由高导电性和化学稳定性的片材组成。使用这种半固态的3D薄板堆叠作为电解质,可以与阴极和阳极良好接触,但可以使其在充电过程中保持稳定。

研究人员青睐LLZO材料,是因其离子电导率高,而且具有优异的化学和电化学稳定性。受益于非刚性结构,这种电解质可与电极保持良好接触,并且在操作和电池组装过程中,不易开裂,有利于提高电池的安全性和性能。另外,NBL半固态电解质能在较大电压范围内保持稳定,与不同的锂电池电极材料兼容,包括高压正极。

制约锂电池工业应用的主要阻碍在于安全性。因为电池中的液体有机电解质高度易燃,并且容易泄漏;另外,电池需要依赖热性能和机械性能都不稳定的电极分离器。虽然固态电解质表现出改善锂电池安全性能的潜力,但是,这种电解质与电极接触不良,离子电导率低,使电池的电导率和性能表现不佳。

负责研究团队的Jackie Y. Ying教授说:“同时包含液体和固体成分的混合准固体电解质已成为切实可行的折衷方案,以在保持良好性能的同时获得更安全的电池。”但是,固体的高电阻到目前为止,组件已经限制了这种电池的性能。为了克服这个问题,我们重新设计了固体成分的微观结构。我们的解决方案消除了电解质泄漏,并且在热和机械方面均稳定。”

采用NBL新型电解液制成的锂硫电池具有容量大、充放电速度快等优点,稳定了电池的性能。在试验中,新型电解质在1.5mg/cm2的负载密度下,获得了显著的速率能力(分别在1℃和2C℃下——515和——340mAh/g)。这是锂硫混合准固体电池所能达到的性能之一。

Ying表示:“我们发现基于3D片材的框架对于电池性能至关重要。此外,我们的系统在极端温度下也表现出出色的稳定性。这些结果说明了我们的片状结构作为其他半固态锂电池框架的巨大潜力。”

什么是半固态电池?

半固态锂电池,顾名思义,是指任一侧电极不含液体电解质,另一侧电极含有液态电解质的电池。或单体中固体电解质质量或体积占单体中电解质总质量或总体积之比的一半。

与现有锂离子电池相比,半固态电池体积小,更加稳定安全,可以实现更高的能量密度,成本也比锂离子电池便宜得多。目前,不少电池企业在研发固态电池的进展上会先退而求其次,选择先加快半固态电池的研发速度。

国内半固态电池研发现状

珈伟股份是国内率先量产半固态电池的企业。2016年11月,珈伟股份设立珈伟龙能固态储能科技如皋有限公司,投资6.6亿元投资建设快充锂电池生产线,采用的是半固态技术。

此外,国轩高科在2018年曾表示,公司半固态电池中试线并无具体产能要求,主要用于产品验证与开发。若产品与技术均相对成熟,公司将持续提升相关新产品产能规模与比例。

2018年3月,国轩高科对外称,半固态电池技术已处于实验室向中试转换阶段。公司半固态电池样品与加工工艺目前正在处于实验室阶段,计划2019年建设中试线。

国外半固态电池研发现状

除了前文提到的24M公司,美国一家名为Solid Energy Systems的固态电池研发公司也于2018年7月生产出了批半固态电池,预计将于2021年后应用于电动汽车领域,目前将先应用于内部。这批电池能量密度也是目前普通锂离子电池的两倍,而且可以重复充电23000次。

意大利的科研人员在半固态电池研发上也有突破:意大利博洛尼亚大学研究人员经过8年努力,在2018年7月研发出了一种新型半固态氧流量锂电池NESSOX。具有高达1兆瓦时/吨的能量密度,同时还可以像汽车“加油”一样,在几分钟内通过更换电池内部液体电解质完成充电。

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