韩国研究人员为未来的锂电池开发出一种新型轻质结构

韩国研究人员为未来的锂电池开发出一种新型轻质结构 浦项科技大学（POSTECH）化学系的 Soojin Park 教授和博士生 Dong-Yeob Han 与韩国能源研究所（KIER）的 Gyujin Song 博士以及浦项 N.EX.T HUB 的研究团队合作开发出了一种三维聚合物结构。这种轻质结构有利于锂（Li）离子的传输。他们的研究成果最近发表在国际期刊《先进科学》（Advanced Science）的网络版上。电池技术的进步用于电动汽车和智能手机等电子设备的电池技术不断发展。值得注意的是，锂金属阳极的能量容量为 3860 mAh/g，是目前商业化石墨阳极的十倍以上。锂金属阳极可以在更小的空间内储存更多的能量，而且与石墨或硅不同，锂金属阳极可以作为电极直接参与电化学反应。然而，在充电和放电过程中，锂离子的不均匀分布会产生被称为"死锂"的区域，从而降低电池的容量和性能。此外，当锂向一个方向增长时，它可能会到达相反一侧的阴极，从而造成内部短路。虽然最近的研究重点是优化三维结构中的锂传输，但这些结构大多依赖重金属，大大降低了电池的单位重量能量密度。锂电沉积后的混合结构内部几何形状示意图。资料来源：POSTECH用于阳极的创新型三维结构为了解决这个问题，研究小组利用聚乙烯醇（一种对锂离子具有高亲和力的轻质聚合物）与单壁碳纳米管和纳米碳球相结合，开发出了一种混合多孔结构。这种结构比通常用于电池阳极的铜（Cu）集流体轻五倍以上，对锂离子有很高的亲和力，有利于锂离子通过三维多孔结构中的空隙迁移，实现均匀的锂电沉积。在实验中，采用了该团队三维结构的锂金属阳极电池在经过 200 多次充放电循环后表现出很高的稳定性，并达到了 344 Wh/kg（能量与电池总重量之比）的高能量密度。值得注意的是，这些实验使用的是代表实际工业应用的袋装电池，而不是实验室规模的纽扣电池，这凸显了该技术商业化的巨大潜力。POSTECH 的 Soojin Park 教授表达了这项研究的意义，他说："这项研究为最大限度地提高锂金属电池的能量密度开辟了新的可能性"。KIER 的 Gyujin Song 博士强调说："这种结构兼具轻质特性和高能量密度，是未来电池技术的一个突破"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

研究人员利用核磁共振波谱设计更安全、更高性能的锂电池

研究人员利用核磁共振波谱设计更安全、更高性能的锂电池 团队负责人、化学工程副教授劳伦-马贝拉（Lauren Marbella）说："我们相信，有了我们收集到的所有数据，我们就能帮助加快锂金属电池的设计，并帮助消费者安全地使用这些电池。"使用锂金属阳极而不是石墨阳极的电池，就像我们的手机和电动汽车中使用的电池一样，将使包括半挂卡车和小型飞机在内的电气化交通工具更加经济实惠、用途更加广泛。例如，电动汽车电池的价格会降低，同时续航里程会延长（从 400 公里延长到大于 600 公里）。然而，锂金属电池的商业化仍遥遥无期。锂金属是元素周期表中最活跃的元素之一，在正常使用电池的过程中很容易形成钝化层，影响阳极本身的结构。这种钝化层就像银器或珠宝开始褪色时产生的钝化层，但由于锂的活性非常高，电池中的锂金属阳极一接触电解液就会开始"褪色"。钝化层的化学成分会影响锂离子在电池充电/放电过程中的移动方式，并最终影响系统内部是否会长出导致电池性能不佳的金属丝。迄今为止，测量钝化层（电池界称之为固体电解质相间层（SEI））的化学成分，同时捕捉位于该层中的锂离子如何移动的信息几乎是不可能的。Marbella指出："如果我们掌握了这些信息，就可以开始将特定的 SEI 结构和特性与高性能电池联系起来。"新研究提炼了近期的研究成果，其中大部分是Marbella小组领导或参与的，并提出了利用核磁共振 (NMR) 光谱方法将锂钝化层的结构与其在电池中的实际功能联系起来的案例。NMR 使研究人员能够直接探测锂离子在锂金属阳极与其钝化层之间的界面上移动的速度，同时还能读出该表面上存在的化合物。虽然电子显微镜等其他表征方法可以提供锂金属表面 SEI 层的清晰图像，但它们无法精确定位无序物种的确切化学成分，也无法"看到"离子传输。其他可以探测锂在界面上传输的技术，如电化学分析，也不能提供化学信息。通过研究Marbella实验室在过去六年中收集的数据，研究小组发现核磁共振可以独特地感知锂金属上 SEI 中化合物结构的变化，这是解释锂金属一些难以捉摸的结构-性能关系的关键。研究人员认为，将核磁共振、其他光谱学、显微镜、计算机模拟和电化学方法等多种技术结合起来，对开发和推进锂金属电池的发展十分必要。当研究人员将锂金属暴露在不同的电解质中时，往往会观察到不同的性能指标。Marbella的核磁共振实验表明，这些性能变化的产生是因为不同的电解质成分会产生不同的 SEI 成分，并以不同的速率将锂离子输送到阳极表面。具体来说，当锂电池性能提高时，锂与表面的交换率也会增加。他们现在还能看到钝化层应该如何布置。为了达到最佳性能，不同的化合物必须在 SEI 中层层叠加，而不是随机分布。新研究中展示的交换实验可被材料科学家用于帮助筛选高性能锂金属电池的电解质配方，以及确定高性能所需的 SEI 表面化合物。Marbella 补充说，核磁共振是唯一能探测 SEI 中化合物局部结构变化的技术之一（如果不是唯一的话），它能解决离子绝缘材料如何在 SEI 中实现快速锂离子传输的问题。一旦知道发生了哪些结构变化例如，氟化锂等是否变得无定形、有缺陷、纳米大小那么我们就可以有意识地对这些变化进行工程设计，并设计出符合商业化所需的性能指标的锂金属电池。核磁共振实验是为数不多的能够完成这项任务的实验之一，它为我们提供了推动负极表面设计向前发展所必需的信息。展望未来，Marbella 的研究小组将继续把核磁共振与电化学结合起来，加深对锂金属电池不同电解质中 SEI 成分和特性的了解。他们还在开发各种方法，以确定单个化学成分在促进锂离子通过 SEI 传输方面的作用。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家找出导致电池故障的幽灵般的元凶：软短路

科学家找出导致电池故障的幽灵般的元凶：软短路 阿贡团队的研究重点是全固体电池，其阳极（负极）由锂金属制成。许多人将这种设备视为电池技术的"圣杯"。为什么这么说呢？因为锂金属可以在很小的空间内储存大量电荷。这意味着，与传统的石墨阳极锂离子电池相比，它能使电动汽车的行驶里程更长。然而，锂金属会与传统电池中的液态电解质发生高度反应，这给操作带来了挑战。电解质是在电池的两个电极之间移动被称为离子的带电粒子的材料，可将储存的能量转化为电能。正常工作的电池放电时，离子从阳极通过电解质流向阴极（正极），与此同时，电子从阳极流向外部设备（如手机或电动汽车电机），然后返回阴极。电子流为设备供电。当电池充电时，电子流会反向流动。锂金属的使用往往会破坏这一过程，在充电过程中，锂枝晶会从阳极生长出来并渗入电解液。如果这些枝晶长得足够大并一直延伸到阴极，它们就会在电极之间形成一条永久性的"导线"。最终，电池中的所有电子都会通过这根线从一个电极流向另一个电极，而不会流出电池为设备供电，这一过程也会阻止离子在电极之间流动。"这就是所谓的内部短路，"阿贡博士后、团队首席研究员迈克尔-坎尼汉（Michael Counihan）说，电池发生故障后就不再为设备供电。将锂金属阳极置于固态电池中（换句话说，就是使用固态电解质的电池），有可能减少与枝晶相关的挑战，同时还能保留锂的优点。阿贡团队正在开发一种用于电动汽车电池的新型固体电解质，并注意到了一种不寻常的行为。"当我们在实验室中操作电池时，我们观察到了非常小、非常短暂的电压波动，"Counihan 说。我们决定进行更深入的研究。研究人员对电池进行了数百小时的反复充电和放电，并测量了电压等各种电气参数。研究小组确定，电池正在经历软短路，这是一种微小的暂时性短路。软短路时，枝晶会从阳极向阴极生长。但增长量比永久短路时要小。一些电子留在电池内部，另一些则可能流向外部设备。电极之间的离子流可能会继续流动。所有这些流动都会发生很大的变化。研究小组与阿贡计算专家合作开发了模型，用于预测软短路过程中的离子流和电子流数量。这些模型考虑到了枝晶尺寸和电解质特性等因素。带有软短路的电池可以持续工作数小时、数天甚至数周。但阿贡研究小组发现，随着时间的推移，枝晶的数量通常会增加，最终导致电池失效。Counihan说："软短路是通向电池永久故障悬崖的第一步。"动态行为研究小组的进一步研究发现，软短路具有非常动态的行为。它们往往在短短的微秒或毫秒内形成、消失和重组。Counihan说："这对电池研究人员来说是一个重要的启示。在实验室进行典型的电池测试时，研究人员可能每隔一分钟左右才测量一次电压。在这段时间里，电池可能会错过成千上万软短路的形成和死亡。它们就像一个个小幽灵，在不知不觉中破坏着电池。"软短路最常见的原因是发热。当电子流经枝晶时，会产生热量，类似于家用电器电线的发热，热量会迅速融化，尤其是在周围电解液具有隔热性能的情况下。当枝晶与某些电解质发生反应时，软短路就会溶解，阿贡研究小组正在研究的某些固体电解质会在枝晶到达阴极之前将其切断，从而导致内部短路。在对软短路进行广泛研究的过程中，阿贡团队开发并演示了几种检测和分析软短路现象的新方法。例如，一种方法可以量化软短路对电池电流阻力的影响程度。由于不同的电池组件都可能造成这种阻力，因此分离出软短路造成的阻力可以帮助研究人员更好地评估电池的健康状况。这项研究最近发表在《焦耳》（Joule）杂志上，其中包括近 20 种检测和分析技术。其中约三分之一的方法来自该团队最近的研究。研究报告的作者从研究界非正式的、未发表的知识中收集了其他方法。Counihan说："我们意识到，文献中没有一篇论文使用了其中两种以上的技术。为了让这份清单对研究人员更有用，我们加入了关于每种方法优缺点的信息。由于软短线的动态性很强，因此对于研究人员来说，有很多工具可以使用，以便更好地了解软短线的影响。"研究小组希望为世界各地的研究人员提供有关软短路的见解，为他们的工作提供参考。例如，论文中的技术可以帮助推进阻止枝晶生长的硬固体电解质的设计。Counihan说："当研究人员了解电池中软短路的动态时，他们就能更好地改进材料，避免这些失效途径。"参考文献：Michael J. Counihan、Kanchan S. Chavan、Pallab Barai、Devon J. Powers、Yuepeng Zhang、Venkat Srinivasan 和 Sanja Tepavcevic 合著的《固态电池研究中动态软短路的幽灵威胁》，2023 年 12 月 6 日，《焦耳》。DOI: 10.1016/j.joule.2023.11.007编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

研究人员开发出可快速充电的钠电池：几秒钟即可充满，性能媲美锂电池

研究人员开发出可快速充电的钠电池：几秒钟即可充满，性能媲美锂电池 Jeung Ku Kang 表示，这种可实现快速充电、能量密度达到 247 Wh/kg、功率密度达到 34748 W / kg 的混合钠离子能量存储装置，标志着能量存储系统突破了现有瓶颈，他预计这项技术将在包括电动汽车在内的各种电子设备中得到广泛应用。

新研发的自熄式锂电池能自行灭火 可降低致命且代价高昂的火灾风险

新研发的自熄式锂电池能自行灭火 可降低致命且代价高昂的火灾风险 锂电池不会经常发生热失控和放电现象，特别是如果锂电池是按照严格的标准制造并得到妥善保养的话。但是，现在我们的家庭、公司、车库、背包和车辆中都有很多锂电池，而且还有很多廉价的、不符合标准的电池，因此锂电池起火已成为生活中的常态，仅在 2022 年，纽约市就发生了 200 多起锂电池起火事件，发生火灾时，你肯定不想在附近。容量不大的锂电池引燃后，爆炸的威力也足以把房间的窗户炸飞。它们会变成喷射熔融金属的喷火器，点燃附近的建筑物和车辆，而且一旦出现热失控，就很难扑灭。但克莱姆森大学和湖南大学的研究人员说，他们已经在解决方案上取得了突破。研究小组用通常在灭火器里能找到的东西取代了典型的、高度易燃的电解质液体，创造出了一种新型可充电锂电池，不仅如此，他们没有使用普通的易燃有机溶剂作为电池电解液，而是使用了一种改良版的3M 公司生产的 Novec 7300不易燃导热油。其中一位研究人员在为《对话》撰写的一篇文章中写道："电解质允许携带电荷的锂离子穿过锂离子电池正负极之间的隔板。通过对价格低廉的商用冷却剂进行改良，使其具有电池电解质的功能，我们得以生产出一种能自己灭火的电池。"自熄灭电解液在锂电池和钾离子电池中都表现良好，即使钉子穿透电池也不会着火。灭火器溶液作为电解质也表现出色，在 -100 至 175 °F（-75 至 80 °C）范围内均能正常工作，对极热和极冷的处理能力明显优于传统电解质，而且在某些情况下，在充电循环次数大大增加的情况下仍能保持电池容量。它也似乎很容易在商业规模上推广。研究人员写道："由于我们的替代电解质与目前使用的电解质具有相似的物理性质，因此可以很容易地与目前的电池生产线集成。如果业界接受它，我们预计各公司将能够利用现有的锂离子电池设备生产不易燃电池。" ... PC版： 手机版：

电动自行车燃烧对比：锂电池比铅酸电池危险得多

电动自行车燃烧对比：锂电池比铅酸电池危险得多 而锂电池电动自行车自燃可能是控制电路芯片故障，无法对电池本身进行监控，持续充电，俗话说就是把电池充爆了。这是因为，锂电池过充会发热，3分钟内无法及时散热，电池内部有机物熔化收缩，进而引起电池正负极短接，最终电池短路爆炸。因此，充电过程中自燃的，绝大多数都是锂电池的电动自行车。不仅如此，因为锂电池往往都有比较硬的壳体包裹着里面的电芯，有时候像子弹一样往外喷射，更加危险。家庭环境中易燃可燃物较多，一旦电池爆炸火星四溅，引燃周边可燃物会让火势迅速蔓延。因此在家中充电的电池，就像一颗“不定时炸弹”。 ... PC版： 手机版：