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新型塑料薄膜助力锂离子电池技术

变宝网12月8日讯

这种新型液相电池当中,通过在负极表面自发形成SEI,“盐水”电解质能够增大工作电压至3V。

马里兰大学(University of Maryland,UMD)和美国陆军研究实验室(US Army Research Laboratory,ARL)的研究人员设计了一个突破性的“盐水”液相锂离子电池技术。这种新技术可使当前的锂离子电池更具功率、效率和寿命,且不会有火灾危险、有毒化学物质和环境危害。

该团队负责人是UMD化学与生物分子工程系副教授Chunsheng Wang和ARL传感器与电子设备处高级研究化学家KangXu。相关结果发表于《科学》(Science)期刊上,研究人员认为该工作在水系(液相)电池的发展历程中是一个重要的进展,是液相电池的电压或功率提高了一倍。

根据研究人员的介绍,该技术拥有大量的应用前景,包括千瓦甚至兆瓦级的高能量,比如电动汽车或电网储能设备。在那些特别关注电池安全性和毒性的领域也有很好的应用前景,比如用于飞机、海军舰艇或空间飞船上的安全非、易燃电池,以及心脏起搏器等医疗设备。

UMD能源研究中心和马里兰纳米中心的Wang这样说到:“通过这项研究,我们可以将液相电解质的电化学窗口从不足1.5V提高到3V左右,并获得了2.3V的高电压全水的锂离子电池,首次证实了液相电池在功率和能量密度方面能够与那些为移动、数字生活供电的无水锂离子电池相竞争。”

根据ARL能源与动力部门负责人、已退役的Edward Shaffer中校的说法,这种新方法相比当前的电池而言具有巨大的潜在优势。他说:“士兵携带这种电池并与之发生摩擦,不会发生热、化学以及环境的安全问题;对狭窄空间特别是潜艇而言,这种电池安全且可减少占用空间;是军事平台和系统的新型混合动力解决方案。”

这一突破的关键在于含有超高浓度、精心挑选的锂盐的一类水系电解质。这种方法改变了电池的化学反应,导致在负极上形成一层很薄的保护薄膜,这在水系电池中是首次出现。电池科学当中成为固体电解质界面(SEI),这种保护性的稳定薄膜是先进锂离子电池高性能特征所必需的,但过去只在污水的电解质溶液当中实现。

该论文第一作者、Wang研究团队成员之一、UMD博士后LiuminSuo说:“我们的研究最重要的是在基本层面上取得了突破。在此之前没有可能在水系电池中形成SEI的观点,但我们证明了这可以实现。”

UMD和ARL团队将这种新型“盐水”电池的性能与其他水系电池系统进行了比对。他们发现,其他高稳定性的水系电池只有牺牲电压和能量密度才能实现,反之亦然。然而,这种“盐水”电解液当中负极/电解质中间相的形成打破了高稳定性和高电压之间的反比关系,使其能够同时实现。

加拿大达尔豪斯大学(Dalhousie University)电池方面的研究员Jeff Dahn评论说:“锂离子电池领域的研究人员最近通过添加高浓度的盐,发现了之前‘没什么用的’溶剂可以使锂离子电池发挥作用。Suo等人的这项研究将这种想法延伸到溶剂水的情况。通过扩大工作电压窗口至3V左右,可能获得新一代更安全且可能更廉价的锂离子电池。”注:Jeff Dahn并未参与该项研究。

他补充说:“只有进一步的研究和开发工作能够验证这一发现的实用性,所以需要谨慎评估该技术的潜在应用,甚至是任何基础的研究进展。”

Xu表示:“我们的发现开辟了水系电化学装置的一条全新大道,不仅仅是电池,还可以是超级电容器和电镀设备等器件。”


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