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科学家用氟化物与全新固态电解质,将锂电池的镍、钴取而代之

2020-07-27


科学家用氟化物与全新固态电解质,将锂电池的镍、钴取而代之

最近美国乔治亚理工学院研究人员带来全新的固态锂离子电池设计,以便宜的过度金属氟化铁以及固态聚合物电解质,降低人们对钴、镍金属的需求,并研发更便宜与安全的锂电池。

人们生活离不开锂离子电池,从小型的智慧型手机、笔电到大型的电动车与电池储能系统都会用到,但随着用量与日俱增,也为电池原料供应带来不小的压力,毕竟用量增加,但金属新增产量一定有限。

通常锂电池的阴极是由锂和钴、镍、锰等过度金属组成,先前能源顾问公司 Wood Mackenzie 报告便指出,随着汽车製造商增加电动车产量,电动车电池重要金属原料锂、钴和镍等,可能会在 2020 年中期面临供应吃紧的现象。

因此乔治亚理工学院决定换种材料试试,利用氟化铁活性材料和固态聚合物电解质奈米複合材料打造全新电极。

过去过渡金属氟化物因为具腐蚀性、过于活泼等稳定性问题,纵使容量高、材料成本低、地球含量多,仍不受科学家待见,但由乔治亚理工学院材料科学与工程学院教授 Gleb Yushin 带领的团队发现,把氟化物跟固态电解质凑对的话,高温下电池也能正常运作。

若实验有成,将有助于研发更轻、更便宜与安全的锂离子电池,添加氟化铁的锂阴极容量也非常高,是钴基、镍基的两倍之多,除此之外,铁还比钴便宜 300 倍、比镍便宜 150 倍,在材料成本方面根本完胜。

但为什幺跟聚合物电解质组合就没事呢?科学家指出,主要优点有两个,其一,它能在充放电循环时弯曲,适应氟化铁的溶胀(swelling)现象,解决过去氟化铁的膨胀和大量副反应问题;其二,能在锂 – 氟化铁电极之间形成稳定与可挠的介面。

团队实验测试指出,新型电池的容量达 450 mAh g,即使处在摄氏 50 度下,充放电循环也超过 300 次,室温环境表现也优于过去的设计。

在研究中,固态聚合物电解质功不可没。过去若採用金属氟化物电极,只要温度一超过摄氏 37 度,阴极表面的金属离子就会溶解到电解质中,最后电池容量大打折扣,而固态聚合物电解质形成的介面能有效防止金属溶解、离子「逃离」电极。

未来该团队还会持续深入研究固态聚合物电解质,研究员指出,他们目前採用的聚合物电解质非常普遍,而且其他固态电解质或是电极结构或许也能达成。目前研究已发表在《Nature Materials》。



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