鉅大LARGE | 點擊量：645次 | 2021年12月16日
?研究人員開發(fā)出了一種可在零下60攝氏度反復充電的鋰金屬電池
加州大學圣迭戈分校的納米工程師們發(fā)現(xiàn)了在超低溫下性能良好的鋰金屬電池的新原理;主要是電解質對鋰離子的吸附越弱越好。通過使用這種弱結合電解質，研究人員開發(fā)出了一種可在零下60攝氏度反復充電的鋰金屬電池，這在該領域尚屬首次。
研究人員將他們的研究成果發(fā)表在2月25日的《自然能源》雜志上。
在測試中，概念驗證電池在-40和-60攝氏度的50次循環(huán)中分別保留了84%和76%的容量。研究人員說，這樣的表現(xiàn)是前所未有的。
其他用于低溫下使用的鋰電池可以在低溫下放電，但充電時需要加熱。這意味著必須帶上額外的加熱器，以便在外太空和深海探索等應用中使用這些電池。另一方面，新電池，可在超低溫下充放電。
這項工作是由加州大學圣地亞哥分校納米工程教授劉平、陳錚和托德·帕斯卡共同完成的，他們提出了一種在超低溫下提高鋰金屬電池性能的新方法。到目前為止，許多努力都集中在選擇不會那么容易凍結的電解質，并能保持鋰離子在電極之間快速移動。在這項研究中，加州大學圣地亞哥分校的研究人員發(fā)現(xiàn)，關鍵不在于電解質移動離子的速度有多快，而在于電解質釋放離子并將其沉積在陽極上的容易程度。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
“我們發(fā)現(xiàn),鋰離子和電解質之間的綁定和結構,離子的電解質,意味著生死這些電池在低溫下,”第一作者約翰Holoubek說,加州大學圣地亞哥分校的納米工程博士生雅各布斯工程學院。
研究人員通過比較兩種電解質的電池性能得出了這些發(fā)現(xiàn):一種是與鋰離子結合較弱的電解質，另一種是與鋰離子結合較強的電解質。具有弱結合電解質的鋰金屬電池在-60攝氏度下整體性能更好;在50次循環(huán)后，它仍然運行強勁。相比之下，具有強結合電解質的細胞在兩個周期后就停止工作了。
在細胞循環(huán)后，研究人員將它們分開，比較陽極上的鋰金屬沉積。分歧也很明顯。電解質結合較弱的細胞沉積光滑均勻，而電解質結合較強的細胞沉積塊狀針狀。
細節(jié)問題
研究人員說，電池性能的差異都可以歸結為納米級的相互作用。“鋰離子如何在原子水平上與電解質相互作用，不僅能夠在非常、非常低的溫度下持續(xù)循環(huán)，而且還可以防止枝晶的形成，”陳說。
為了理解其中的原因，研究小組利用計算模擬和光譜分析詳細研究了這些相互作用。在一種被稱為乙醚(DEE)的電解質中，研究人員觀察到由鋰離子組成的分子結構與周圍的電解質分子弱結合。在另一種被稱為DOL/DME的電解質中，研究人員觀察到離子和電解質分子之間的強結合結構。
研究人員說，這些結構和結合強度非常重要，因為它們最終決定了鋰在低溫下如何沉積在陽極表面。Holoubek解釋說，在像DEE電解質中觀察到的那種弱束縛結構中，鋰離子可以很容易地離開電解質，所以不需要太多能量就能讓它們沉積在陽極表面的任何地方。這就是沉積物在DEE中平滑均勻的原因。但是在強束縛結構中，比如DOL/DME，需要更多的能量才能將鋰離子從電解質中拉出來。因此，鋰會傾向于沉積在陽極表面有極強電場的地方——任何有尖端的地方。鋰會繼續(xù)堆積在尖端直到電池短路。這就是為什么DOL/DME中的沉積物呈塊狀和樹枝狀。
“找出鋰形成的不同類型的分子和原子結構，以及鋰如何與特定的原子協(xié)調——這些細節(jié)很重要，”Pascal說，他指導了這項計算研究。“通過從根本上理解這些系統(tǒng)是如何結合在一起的，我們可以為下一代能源存儲系統(tǒng)提出各種新的設計原則。這項工作展示了納米工程的力量，通過弄清楚小尺度上發(fā)生了什么，可以在大尺度上設計設備。”
兼容的陰極
這些基本的見解使該團隊能夠設計出與電解質和陽極兼容的陰極，以實現(xiàn)低溫性能。這是一種以硫為基礎的陰極，其材料成本低，儲量豐富，對環(huán)境無害，不使用昂貴的過渡金屬。
“這項工作的意義是雙重的，”劉說，他的實驗室設計了這種陰極，并在DEE中優(yōu)化了這種陰極在正常條件下的循環(huán)性能。從科學的角度來說，它提出了與傳統(tǒng)觀點相反的見解。從技術上講，這是第一種可充電的鋰金屬電池，它可以在-60攝氏度完全運行的情況下提供有意義的能量密度。這兩個方面為超低溫電池提供了一個完整的解決方案。”
