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美国大学合作 利用不易燃电解质制成高效率电池

2019-08-05 浏览次数:1,306 次 盖世汽车

图1
(图片来源:佛罗里达州立大学)

据外媒报道,美国佛罗里达州立大学(Florida State University)和康奈尔大学(Cornell University research)研究小组发现,用廉价而安全的组件可以制成电池,而且与现在最先进的锂离子电池相比,此类电池的效率要高出2至3倍。

FAMU-FSU工程学院博士后研究院A. Nijamudheen与康奈尔大学博士生Snehashis Choudhury,以及两所大学的其他教职人员一起,开启了一项调查,研究目前的电池设计存在什么缺陷,以及如何改进。Choudhury表示:“看到电池成本随时间上涨的现象并不奇怪,广泛采用电池的技术需要降低成本。”

为降低成本,研究人员解决了几个与电解质相关的具体问题,电解质是电池结构的关键部分,可以促进离子从一个电极移动至另一个电极。研究小组了解了电解质在电池电极上降解的化学过程,研究人员不仅发现了电解质降解的机制,还发现了多种解决方法。Nijamudheen表示:“我们发现,控制在负极上形成的界面(SEI)的离子特性是关键。”

研究人员通过量子计算发现,电池降解的源头在于电解质中一种叫做二甘醇的成分发生聚合的方式。聚合是一种分子以化学方式结合,产生一种叫做聚合物的长链状分子的过程。就电池而言,电解质在与电池的正负极接触时间长了之后,常常会分裂并重新成为更大的分子。研究人员表示:“虽然降解过程本身无害,但是降解产生的物质会阻止离子进入电池电极,随着时间推移,就会减少电池所能存储的能量。”但是,尽管降解过程产生的某些聚合物会阻止离子达到电极,但是已有证据证明,其他种类的聚合物能够有效延长电池寿命。在进行聚合计算之后,研究人员开始研究聚合过程中,不会影响电池性能的其他类型的电解质。

一般来说,锂电池由有机碳酸盐电解质制成,但是此类电解质高度易燃,所以为防止电池热失控和火灾风险,还需要提供昂贵的、冷却热调节部件。因此,研究人员测试了一种不易燃的稳定电解质 – 锂硝酸盐电解质。

利用该电解质,研究人开始在固态电解质SEI膜上进行试验。SEI膜是由于电解质分解而形成的一层保护层,通常在电池首次循环时产生。

研究人员利用牺牲盐或通过电解质引入的新分子,在电池中自然形成了一种新型SEI膜,此外,研究人还引入了链转移剂(一串分子),与二甘醇相互作用,形成屏蔽层,保护带负电荷的电极不再降解。

为评估该设计的有效性,研究团队对电池的使用能力进行了一系列实验,然后再给电池充电。结果发现,此种电池可以循环大约2000次,远高于传统锂离子电池的300至500次。

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