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哈佛大学李鑫团队打造出新型固态锂金属电池:10-20分钟内为电动汽车充满电

2021-05-14 11:42 前瞻网   

续航时间长、充电速度快的电池,对电动汽车市场的普及扩张至关重要,但如今的锂离子电池无法满足需求——它们太重、太贵、充电时间太长。

几十年来,研究人员一直试图利用固态锂金属电池的潜力。与传统的锂离子电池相比,固态锂金属电池在相同体积下,能储存更多的能量,充电时间更短。

哈佛大学李鑫团队打造出新型固态锂金属电池:10-20分钟内为电动汽车充满电

近日,哈佛大学SEAS学院材料科学副教授李鑫(Xin Li)和他的团队设计了一种稳定的锂金属固态电池,可以在高电流密度下进行至少10000次充放电,远超之前演示的循环次数。研究人员将这种新设计与一种商用的高能量密度阴极材料配对。

这种电池技术可以将电动汽车的寿命延长至汽油汽车的寿命——10至15年,而无需更换电池。由于其高电流密度,该电池可以在10-20分钟内为电动汽车充满电。

锂金属电池的最大挑战一直是化学。锂电池在充电过程中将锂离子从阴极转移到阳极。当阳极由金属锂制成时,表面形成针状结构,称为枝晶(dendrites)。这些结构像根一样生长在电解液中,刺穿分隔阳极和阴极的屏障,导致电池短路甚至起火。

为了克服这一挑战,Li和他的团队设计了一种多层电池,在正极和负极之间夹有不同的稳定性不同的材料。这种多层、多材料的电池可以阻止锂枝晶的穿透——不是通过完全阻止它们,而是通过控制和包含它们。

你可以把电池想象成一个三明治:首先是“面包”(锂金属阳极),然后是“生菜”(一层石墨)。接下来,夹一层“西红柿”(第一种电解质)、一层“培根”(第二种电解质)。最后再来一层“西红柿”和最后一块面包——阴极。

第一种电解质(化学名称Li5.5PS4.5Cl1.5或LPSCI)与锂一起时更稳定,但容易枝晶渗透。第二种电解质(Li10Ge1P2S12或LGPS)与锂的关系不太稳定,但似乎对枝晶“免疫”。在这种设计中,枝晶被允许通过石墨和第一种电解液生长,但当它们到达第二种电解液时就停止生长。换句话说,枝晶在石墨层和第一种电解质中生长,但在第二种电解质中停止生长。

第二种电解质形成的屏障,阻止了树突通过并使电池短路。这一设计中,锂金属阳极与阴极的循环性能非常稳定,在高电流密度下的寿命超过1万次循环。

他们打造的锂金属固态电池,将有望与商用锂离子电池相媲美。

译/前瞻经济学人APP资讯组

 

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责任编辑: 4126TJ

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