10分钟快速充放 浙大电池新方案登《自然》

10分钟快速充放 浙大电池新方案登《自然》 浙江大学材料科学与工程学院范修林研究员团队长期致力于锂离子电池研究。近期,该团队开发并验证了一套新型极端电解液设计原则,打破了传统的锂离子传输模式,并为具备特殊物化性质的电解液开辟了一条全新的研究途径。基于此理念,团队设计出一款新型电解液,不仅能够支持高比能锂离子电池在-70℃到60℃的超宽温区内进行可逆地充放电,还可以使得高能量密度锂离子电池在10分钟内完成快速充放电。研究中的锂离子软包电池这项研究于北京时间2月29日刊发在国际顶级期刊《自然》。论文第一作者为浙江大学陆迪博士研究生和李如宏研究员,通讯作者为范修林研究员、美国马里兰大学王春生教授和美国布鲁克海文国家实验室的胡恩源教授,并受到浙大陈立新教授、范利武长聘副教授、肖学章副教授以及中国科学院化学研究所王建平研究员和马里兰大学邓涛博士(现为上海交大中英低碳研究院副教授)的大力支持。浙大为第一单位和最后通讯单位。锂电池快速充电及低温性能难点在哪里?锂电池要实现快充,意味着在整个体系中锂离子都要实现快速的迁移。目前认为,锂离子在电解液及电解液-电极界面膜中的迁移为整个过程中的速度控制步骤。而界面膜又是电解液原位生成的,与电解液的性质密切相关。综合来讲,在锂离子电池中要实现快充的突破,电解液的特性至关重要。范修林科研团队为此,范修林团队选择了从电解液这块“空白区”下手。当然这里的难度也是可想而知,要让锂离子电解液同时具备有效的电解液-电极界面膜、宽温域内高离子电导率和快速离子传输动力学,这对于此前已有研究的电解液来说都是不可能实现的。这是因为电解液的高离子电导率需要溶剂具备高锂离子溶剂化能,而生成无机的电解液-电极界面膜需要电解液溶剂具有低锂离子溶剂化能,所以目前的电解液不可能同时实现高离子电导率和阴离子衍生的电解液-电极界面膜。由此,范修林团队朝着“不可能”开展长达4年的研究。室温快充仅需十分钟,低温性能还优异面对几万种的溶剂,浙大团队首次建立了一套溶剂筛选原则,用于筛选宽温域内快速锂离子动力学的潜在溶剂,进而将23种目标材料,制作成电解液并应用于锂电池,展开实证研究。记者在实验室看到研究中的锂离子软包电池,如同一块块压缩饼干,却能展现出不同的功能效应。溶剂筛选策略。(a)溶剂化鞘体积与溶剂化能关系图;(b)溶剂化鞘体积与离子传输能垒关系图在一次次实验中,浙大科研人员提出并验证了一种“配体通道促进传输”机制,建立了离子在电解液和固态电解质中传输的统一框架,最终确定了电解液的最佳配方。电解液中离子传输行为。(a)介质传输;(b)结构传输;(c)配体通道促进传输相关测试数据表明,浙大提出的新型电解液在25℃室温下的离子电导率是商用电解液的4倍;在-70℃时高于商用电解液3个数量级以上。“在同等条件下,我们设计的锂离子电池,能够实现充电10分钟,达到八成充电量,展现出超快的离子传输行为。”快充性能优异,也意味着低温充放电性能较为优异,“在低温下我们的电池也能展现出良好的性能”。不同电解液的离子电导率。其中所筛选出的FAN电解液体系的离子电导率在整个温区(+60℃ -70℃)都远高于其他体系浙大电池,离新质生产力有多远?谈及未来应用方向,范修林研究员认为当前电池成本还比较高,可以率先在极地科考、空间探测、海底勘探等极端温度情况中应用。而随着电解液技术的不断攻关迭代,范修林研究员对新型锂离子电池装配到新能源汽车很有信心。“目前,我们团队已经与相关企业开展紧密合作。”“我们的电解液设计原则不仅对极端工况下锂电池有效,随着研究的深入,我们发现其对钠离子电池和钾离子电池也十分有效。”范修林研究员说,“这也将让科研成果聚焦国民经济主战场,更好服务‘双碳’目标,推动能源绿色低碳发展。”(文 柯溢能、吴雅兰/声像制作 杨萝萝 部分科研图片由受访团队提供) ... PC版: 手机版:

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浙大电池新方案登《自然》:10分钟快速充放

浙大电池新方案登《自然》:10分钟快速充放 基于此理念,团队设计出一款新型电解液,不仅能够支持高比能锂离子电池在-70℃到60℃的超宽温区内进行可逆地充放电,还可以使得高能量密度锂离子电池在10分钟内完成快速充放电。范修林研究员介绍,在锂电池中要实现快充的突破,电解液的特性至关重要,而传统电解液中的锂离子传输模式无法实现锂离子的快速迁移。研究团队建立了一套溶剂筛选原则,在几万种溶剂中筛选出23种“潜力溶剂”,配制出多种电解液,制作成锂离子软包电池,展开实证研究。经过长达4年的研究,浙大科研人员最终确定了电解液的最佳配方。相关测试数据表明,范修林团队提出的新型电解液在25℃室温下的离子电导率是目前商用电解液的4倍,在-70℃时高于商用电解液3个数量级以上。范修林认为,当前电池成本较高,可以率先在极地科考、空间探测、海底勘探等极端温度情况中应用。而随着电解液技术的不断攻关迭代,范修林对新型锂离子电池装配到新能源汽车很有信心。 ... PC版: 手机版:

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科学家们开发出了一种用于锂离子电池的超低浓度电解质 锂离子电池(LIB)为智能手机和平板电脑提供电力,驱动电动汽车,并在发电厂储存电力。大多数锂离子电池的主要成分是锂钴氧化物(LCO)阴极、石墨阳极以及为阴极和阳极的解耦反应提供移动离子的液态电解质。这些电解质决定了电极上形成的相间层的性质,从而影响电池循环性能等特性。然而,商用电解质大多仍基于 30 多年前配制的系统:1.0 至 1.2 摩尔/升六氟磷酸锂(LiPF6)在羧酸酯("碳酸溶剂")中的溶液。在过去的十年中,高浓度电解质(> 3 mol/L)得到了发展,它们有利于形成坚固的无机主导相间层,从而提高了电池性能。然而,这些电解质粘度高、润湿能力差、导电性差。由于需要大量的锂盐,这些电解质的价格也非常昂贵,而这往往是影响可行性的一个关键参数。为了降低成本,超低浓度电解质(< 0.3 mol/L)的研究也已开始。这些电解质的缺点是,电池电池分解的溶剂多于少量的盐阴离子,从而导致有机物占主导地位,相间层的稳定性较差。由宁波大学(中国)和波多黎各大学里奥皮德拉斯校区(美国)的袁金良、夏岚和吴先勇领导的研究小组现已开发出一种超低浓度电解质,可能适用于锂离子电池的实际应用:LiDFOB/EC-DMC。LiDFOB(二氟草酸硼酸锂)是一种常见的添加剂,价格比LiPF6 便宜得多。EC-DMC (碳酸乙酯/碳酸二甲酯)是一种商用碳酸酯溶剂。这种电解液的含盐量低至 2 重量百分比(0.16 摩尔/升),但离子电导率却高达 4.6 mS/cm,足以使电池正常工作。此外,DFOB- 阴离子的特性还能在 LCO 和石墨电极上形成以无机物为主的坚固相间层,从而在半电池和全电池中实现出色的循环稳定性。目前使用的LiPF6会在潮湿环境中分解,释放出剧毒和腐蚀性的氟化氢气体(HF),而 LiDFOB 则对水和空气稳定。使用 LiDFOB 的 LIB 不需要严格的干燥室条件,而可以在环境条件下制造,这又是一个节约成本的特点。此外,回收问题也会大大减少,从而提高可持续性。编译来源:ScitechDaily ... PC版: 手机版:

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室温下可充钙-氧电池 复旦大学研究成果发表于《自然》主刊 据了解,钙金属具有低氧化还原电位和多价性等特性,结合我国丰富的钙资源,基于金属钙的电池体系在未来的能源应用中具有广阔前景。在基于金属钙的电池中,钙-氧气电池具有最高的理论能量密度, 但目前尚未实现能够在室温下稳定充放电的钙-氧气电池。其中的关键问题和挑战在于,钙金属负极具有高电化学活性,容易导致电解液被还原分解并在电极表面形成钝化层,使得钙金属负极失效;空气正极具有高电极电势,容易导致电解液氧化分解,正极电化学性能迅速衰退。目前仍难以找到一种能与钙金属负极相匹配,且能适应高电极电势空气正极的电解质,严重制约了钙-氧气电池的发展。为了解决这一挑战,团队通过系统设计溶剂、电解质盐以及电解质配比,成功制备出一种基于二甲基亚砜/离子液体的新型电解质,有效满足了电池正负极的高要求,构建了可室温工作的新型钙-氧气电池。科研人员表示,最新创建出的钙-氧气电池主要由金属钙负极、碳纳米管空气正极和有机电解质三个部分组成。电池设计不仅优化了性能和成本,也兼顾了环境的可持续性与在柔性电子设备中的应用要求。其中,金属钙负极成本较低,且具有较高理论容量,同时可进一步将金属钙负载到柔性基底上,得到柔性的金属钙负极,为实现柔性钙-氧气电池奠定了基础;新型电解质在室温下表现出高离子导率,展示了稳定的电化学特性,显著提升了电池整体安全性。据介绍,这种电池可支持室温条件下长达700次的充放电循环。团队还在此基础上成功构建出同时具有高柔性和高安全性的钙-氧气电池,可用于制备下一代可穿戴电池织物。 ... PC版: 手机版:

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科学家们发现了一种稳定的高导电性锂离子导体 虽然硫化物固体电解质具有导电性,但它们会与水分反应形成有毒的二硫化氢。 因此,需要既导电又在空气中稳定的非硫化物固体电解质来制造安全、高性能和快速充电的固态锂离子电池。在最近发表在《材料化学》杂志上的一项研究中,由东京理科大学 Kenjiro Fujimoto 教授、Akihisa Aimi 教授和 DENSO CORPORATION 的 Shuhei Yoshida 博士领导的研究小组发现了一种稳定且高导电性的锂离子导体 烧绿石型氟氧化物的形式。藤本教授表示:“制造全固态锂离子二次电池是许多电池研究人员长期以来的梦想。 我们发现了一种氧化物固体电解质,它是全固态锂离子电池的关键组成部分,它兼具高能量密度和安全性。 除了在空气中稳定之外,该材料还表现出比之前报道的氧化物固体电解质更高的离子电导率。”本工作研究的烧绿石型氟氧化物可表示为Li2-xLa(1+x)/3M2O6F (M = Nb, Ta)。 使用各种技术对其进行结构和成分分析,包括 X 射线衍射、Rietveld 分析、电感耦合等离子体发射光谱法和选区电子衍射。 具体来说,开发了Li1.25La0.58Nb2O6F,在室温下表现出7.0 mS cm⁻¹的体离子电导率和3.9 mS cm⁻¹ 的总离子电导率。 人们发现它比已知的氧化物固体电解质的锂离子电导率更高。 该材料的离子传导活化能极低,并且该材料在低温下的离子电导率是已知固体电解质(包括硫化物基材料)中最高的之一。确切地说,即使在 –10°C 的温度下,新材料在室温下也具有与传统氧化物基固体电解质相同的电导率。 此外,由于在 100 °C 以上的电导率也已得到验证,因此该固体电解质的工作范围为 –10 °C 至 100 °C。 传统的锂离子电池无法在低于冰点的温度下使用。 因此,常用手机锂离子电池的工作条件为0℃至45℃。研究了该材料中的锂离子传导机制。 烧绿石型结构的传导路径覆盖了位于 MO6 八面体形成的隧道中的 F 离子。 传导机制是锂离子的顺序运动,同时改变与氟离子的键。 Li离子总是穿过亚稳态位置移动到最近的Li位置。 与 F 离子结合的固定 La3+ 通过阻断传导路径并消除周围的亚稳态位置来抑制锂离子传导。与现有的锂离子二次电池不同,氧化物基全固态电池不存在因损坏而导致电解液泄漏的风险,也不像硫化物基电池那样产生有毒气体的风险。 因此,这项新的创新预计将引领未来的研究。 “新发现的材料是安全的,并且比之前报道的基于氧化物的固体电解质具有更高的离子电导率。 这种材料的应用有望开发出革命性的电池,这种电池可以在从低到高的宽温度范围内工作,”藤本教授展望道。 “我们相信固体电解质应用于电动汽车所需的性能是满足的。”值得注意的是,新材料非常稳定,如果损坏也不会点燃。 它适用于飞机和其他对安全至关重要的地方。 它还适合高容量应用,例如电动汽车,因为它可以在高温下使用并支持快速充电。 此外,它还是一种有前途的用于电池、家用电器和医疗设备小型化的材料。总之,研究人员不仅发现了一种具有高导电性和空气稳定性的锂离子导体,而且还引入了一种新型的超离子导体焦绿宝石型氧氟化物。探索锂周围的局部结构、它们在传导过程中的动态变化,以及它们作为全固态电池固态电解质的潜力,是未来研究的重要领域。编译来源:ScitechDaily ... PC版: 手机版:

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新型电池技术终将改善电动汽车在极端天气下的性能 改善寒冷天气下充电时间的一种方法是改进电解质,使其同时具有高离子电导率、低溶解能和低熔点,并形成阴离子衍生的无机相。中国浙江大学教授范秀林领导的研究团队刚刚在《自然》杂志上发表了一篇论文,详细介绍了如何做到这一点,此举可能会产生深远影响,使电动汽车在极端天气下更加实用。研究人员认为,改善电解质质量的最佳方法之一是使用溶解能低的小型溶剂,这种溶剂可以改变锂离子在电解质中的移动方式,从而提高电导率并加快充电速度。为此,研究人员使用了一种名为氟乙腈(FAN)的溶剂,他们认为这种溶剂能使锂离子电池同时实现高能量密度、快速充电和宽工作温度范围。值得注意的是,这并不是研究人员第一次尝试解决金属离子电池在极端天气下的问题。几年前,加利福尼亚大学圣迭戈分校的材料科学家兼工程师 Zheng Chen 和他的同事发表了一篇论文,介绍了一种新型电解质,他们声称这种电解质在极端天气下(从零下 40 华氏度(摄氏零下 40 度)到 122 华氏度(摄氏 50 度))比目前的解决方案效果更好。近年来,电动汽车越来越受欢迎,但由于种种原因,绝大多数购车者仍然选择传统的内燃机汽车(ICE)。大多数传统车主认为,充电时间过长是他们决定不购买电动汽车的主要原因,但关于汽车在恶劣天气下发生故障的恐怖故事也不利于向电动汽车过渡。尽管上述有关新型电解质的研究对整个电动汽车行业来说是一个巨大的利好消息,但特斯拉和 Rivian 等公司都希望这些新型电解质能够在不久的将来实用到实际的电动汽车电池中。如果实现了这一目标,必将提高电池的耐久性,降低极端天气下的充电速度,使电动汽车在寒冷条件下比以往任何时候都更加实用。 ... PC版: 手机版:

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