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随着锂离子电池的普及 全球的钴和镍供应压力不断增长

随着锂离子电池的普及,全球的钴和镍供应压力不断增长(目前电池设计中必需的两种金属),并且价格飙升。据外媒澳客彩票平台APP,为了开发新的替代性锂基电池,减少对稀有金属的依赖性,佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的研究人员研制出新型正极和电解质系统,采用低成本过渡金属氟化物和固体聚合物电解质,取代贵金属和传统液体电解质。

佐治亚理工学院材料科学和工程学院教授Gleb Yushin表示:“长期以来,用过渡金属氟化物制造电极,一直存在稳定性差和快速失效的问题。对于能否把它应用于一下代电池设计,人们一直持有很大的质疑。但是,我们已经证明,当与一种固体聚合物电解质一起投入使用时,这种金属氟化物表现出卓越的稳定性,即使在高温状态下也是如此。因此,完全可以用它来设计更安全、更轻量级和成本更低的锂离子电池。”

随着锂离子电池的普及 全球的钴和镍供应压力不断增长

在典型的锂离子电池中,锂离子通过在正负极两个电极间流动释放能量。其中,正极通常是由锂和过渡金属构成,比如钴、镍和锰。电极之间的离子流动通过液体电解质实现。在本次研究中,研究团队采用氟化铁活性物质和固体聚合物电解质纳米复合材料,制造新型正极。氟化铁所提供的锂容量是传统钴基或镍基正极的2倍多。而且,铁的价格要比钴便宜300倍,比镍低150倍。

为了生产这种正极,研究人员专门开发出一种制造工艺,可使固体聚合物电解质渗透到预制氟化铁电极中。接着,对整个结构进行热压,以增加密度并减少空隙。这种基于聚合物的电解质具有两大核心特色,那就是它在循环过程中具有弯曲性,能够适应氟化铁溶胀;而且,可以与氟化铁形成非常稳定且有弹性的界面。在以往电池设计中,使用氟化铁会出现溶胀和大量的副反应,这一直是关键性问题。

Yushin表示:“利用氟化铁制造的正极具有高密度、低成本等优点,而且铁的储量丰富,所以这种正极拥有广阔的发展前景。但是,以前采用这种电极,在循环过程中,会出现数量变化和液体电解质寄生副反应,以及其他性能衰退问题,限制其使用。采用弹性固体电解质,可以有效解决这些问题。”

研究人员接着测试几种新型固态电池变体,在122度华氏温度下,进行300次充放电循环,分析其性能表现。值得一提的是,即使冷却至室温,它们的表现也超过以往的金属氟化物。

研究人员指出,提升电池性能的关键在于固态聚合物电解质。以前尝试使用金属氟化物时,会认为金属离子移动至正极表面,最终溶解至液体电解质,造成容量损耗,特别是在高温下。另外,当电池在华氏100度以上运行时,金属氟化物能促使液体电解质大量分解。然而,如果将固态电解质和正极结合起来,就不会出现溶解,固态电解质可以保持非常稳定的状态,防止电池失效。

Yushin所在实验室的研究科学家Kostiantyn Turcheniuk表示:“我们使用的聚合物电解质非常普遍。但是,还有很多固态电解质,以及电池或电极结构,比如核壳粒子形态,同样能够明显减弱甚至完全防止寄生副反应发生,实现稳定的性能特征。”

末来的时间,研究人员将致力于开发新的固态电解质,提高其性能,以实现快速充电。并将在新的设计中,将固体和液体电解质结合起来,使其与大型电池工厂采用的传统电池制造工艺完全兼容。

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