室温下可充钙-氧电池 复旦大学研究成果发表于《自然》主刊

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：

采用新型电沉积方法的全固态电池技术取得突破

采用新型电沉积方法的全固态电池技术取得突破 通过底部电沉积机制稳定锂金属阳极全固态电池的示意图。资料来源：POSTECH应对电池安全挑战在电动汽车和储能系统等各种应用中，二次电池通常依赖于液态电解质。然而，液态电解质的易燃性带来了火灾风险。这促使人们不断努力探索在全固态电池中使用固态电解质和金属锂（Li），从而提供更安全的选择。在全固态电池的运行过程中，锂被镀在阳极上，利用电子的运动产生电力。在充电和放电过程中，锂金属会经历失去电子、转化为离子、重新获得电子和电沉积回金属形态的循环过程。然而，锂的任意电沉积会迅速耗尽可用的锂，导致电池的性能和耐用性大幅降低。阳极保护的创新为解决这一问题，研究团队与浦项制铁 N.EX.T Hub 合作开发了一种由功能粘合剂（PVA-g-PAA）[2]组成的全固态电池阳极保护层。该层具有优异的锂转移特性，可防止随机电沉积并促进"底部电沉积"过程。这可确保锂从阳极表面底部均匀沉积。研究小组利用扫描电子显微镜（SEM）进行了分析，证实了锂离子的稳定电沉积和分离[3]。这大大减少了不必要的锂消耗。研究小组开发的全固态电池还证明，即使锂金属薄至 10 微米（μm）或更薄，也能长时间保持稳定的电化学性能。领导这项研究的 Soojin Park 教授表达了他的承诺，他说："我们通过一种新颖的电沉积策略设计出了一种持久的全固态电池系统。通过进一步研究，我们的目标是提供更有效的方法来提高电池寿命和能量密度。在合作研究成果的基础上，浦项制铁控股公司计划推进锂金属阳极的商业化，这是下一代二次电池的核心材料。"说明电沉积通过电解液中的电流将金属沉积到浸没在电解液中的电极上的方法PVA-g-PAA聚（乙烯醇）-接枝-聚（丙烯酸）脱离脱离或分离，金属锂失去电子并转化为锂离子的现象编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

复旦大学发明钙-氧室温充电电池 700次充放电循环寿命

复旦大学发明钙-氧室温充电电池 700次充放电循环寿命 2024年2月7日，相关成果以《室温下可充钙-氧气电池》（A rechargeable calcium-oxygen battery that operates at room temperature）为题，在线发表于《自然》（Nature）主刊。据介绍，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，但一直不能在室温下稳定充放电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；同时，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，复旦大学团队通过系统设计溶剂、电解质盐、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。这种新型钙-氧气电池主要由三个部分构成：金属钙负极、碳纳米管空气正极、有机电解质。它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，金属钙负极不仅成本较低，还具有较高的理论容量，有利于全电池实现较高的能量密度。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-氧气电池奠定基础。电解质采用基于二甲基亚砜/离子液体体系，在室温下不仅表现出了高离子导率，还展示了稳定的电化学特性，显著提升了电池的整体安全性。正极材料则采用了较为环保的碳材料，不含昂贵的贵金属催化剂，并利用空气中的氧气作为反应物，有助于降低电池的制造成本。在室温条件下，这种新型钙-氧气电池能实现放电产物的可逆生成和分解，充放电循环寿命长达700次。在此基础上，该研究团队还成功构建出同时具有高柔性和高安全性的钙-氧气电池，为柔性电池发展提供了新思路。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。 ... PC版： 手机版：

新型锂金属电池有望实现能量翻倍、环境影响减半的目标

新型锂金属电池有望实现能量翻倍、环境影响减半的目标 锂金属电池是下一波先进高能电池的主要竞争者。与常用的锂离子电池相比，金属锂电池的单位体积能量存储至少增加了一倍。因此，这一进步可使电动汽车一次充电的行驶距离增加一倍，或使智能手机减少充电次数。目前，锂金属电池仍存在一个重要缺陷：液态电解质需要添加大量含氟溶剂和含氟盐，这增加了对环境的影响。然而，如果不添加氟，锂金属电池就会不稳定，充电几次后就会停止工作，而且容易发生短路、过热和起火。苏黎世联邦理工学院电化学能源系统教授玛丽亚-卢卡茨卡娅领导的研究小组现已开发出一种新方法，可大幅减少金属锂电池所需的氟量，从而使其更环保、更稳定、更具成本效益。电解液中的氟化合物有助于在电池负极的金属锂周围形成保护层。Lukatskaya 解释说："这个保护层可以比作牙齿的珐琅质。它保护金属锂不与电解质成分发生持续反应。如果没有它，电解液就会在循环过程中迅速耗尽，电池就会失效，而且缺乏稳定的保护层会导致在充电过程中形成枝晶，而不是一个保形的平面保护层。"如果这些树枝状突起接触到正极，就会导致短路，从而有可能使电池升温过快而被点燃。因此，控制保护层特性的能力对电池性能至关重要。稳定的保护层可以提高电池的效率、安全性和使用寿命。博士生 Nathan Hong 说："问题是如何在不影响保护层稳定性的情况下减少氟的添加量。"该研究小组的新方法利用静电吸引来实现理想的反应。在这里，带电的含氟分子是将氟输送到保护层的载体。这意味着液态电解质中只需要 0.1% 重量百分比的氟，比之前的研究至少低 20 倍。苏黎世联邦理工学院研究小组在最近发表于《能源与环境科学》杂志的一篇论文中介绍了这种新方法及其基本原理。专利申请已经完成。最大的挑战之一是找到可以附着氟的合适分子，而且一旦附着到锂金属上，也能在合适的条件下再次分解。该研究小组解释说，这种方法的一个关键优势是可以无缝集成到现有的电池生产过程中，而不会因为改变生产设置而产生额外成本。实验室使用的电池只有硬币大小。下一步，研究人员计划测试该方法的可扩展性，并将其应用于智能手机中使用的电池。编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

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：

固态电池，小心被“玩”坏

固态电池，小心被“玩”坏 来源/镜观台拍摄海外市场方面，丰田计划2027年实现全固态电池装车；韩国SKOn正在开发高分子氧化物复合和硫化物两种固态电池，目标是到2026年生产出原型产品，2028年实现商业化；三星SDI正在开发一种没有负极的固态电池，预计将于2027年量产。固态电池的消息满天飞，动力电池的霸主宁德时代也不得不出来发声。宁德时代首席科学家吴凯表示，全固态电池的成熟度指标，若用1-9数字表示，宁德时代目前的成熟度在4的水平，目标到2027年到7-8的水平。简言之，宁德时代的固态电池离量产还尚早。在全固态电池研发方面已有十多年的积累，且有近千人研发团队的宁德时代尚且如此，近一两年量产，甚至宣称已经搭载上车的固态电池，其成色问题就值得商榷了。固态电池虽好，经不起“恶搞”新能源汽车行业发展离不开动力电池，目前的动力电池无论是三元锂电池还是磷酸铁锂，虽然在整车安全、续航里程等方面还在进步，但一定程度上在技术上已经很难有大的突破了。随着锂离子电池成本优化接近极限，新能源汽车产业正迫切寻求技术革新以突破现有瓶颈。固态电池作为下一代电池技术的明星产品，凭借其在安全、能量密度及循环寿命方面的显著优势，被视为推动电动汽车发展的新引擎。所谓固态电池，顾名思义，是和液态电池相对应的，是一种使用固态电极和固态电解质的电池。目前市面上主要的锂离子电池内置是含有液态电解质的。传统液态电池由正极、负极、电解液、隔膜四大部分组成。固态电池用固态电解质替换传统液态电解液和隔膜。固态电池的核心特征就在于使用固态电解质，这也是实现固态电池高能量密度、高循环稳定性、高安全性的关键。其工作机理与传统锂电池一致，依靠锂离子在正极和负极之间往返移动，进行化学能和电能之间的转换与储存。根据液态电解质的含量逐步下降，固态电池发展路径可分为：半固态电池、准固态电池和全固态电池。这也就给了一些车企在宣传上提供了“便利”，第一家、第一款、第一代的修饰语层出不穷。腾势汽车总经理兼首席共创官赵长江也忍不住在微博吐槽“就是在玩文字游戏”。中科院院士、清华大学教授欧阳明高也认为，中国在全固态电池领域的研发，目前来看认识还不统一。显然，过度炒作对固态电池的发展极为不利。事实上，作为全固态电池的过渡方案，半固态电池在性能上已大幅提升，安全性较好、能量密度较高、循环寿命更长、工作温度范围更宽、耐挤压、耐震动等。但从制造工艺来说，半固态电池基本可沿用现有液态电池的制造工艺，生产难度远远小于全固态。液态变固态，换“汤”也换“药”但液态电池要直接升级为固态电池，就需要“改头换面”了。如果把动力电池比作汤药，那电解质可以说是“汤”，正负电极和隔膜可说成是“药”。从液态电池到固态电池，不光是把“汤”换了，液态电解质变成固态，“药”也逐步换了。基于目前固态电池的发展历程，还可以将固态电池的发展分为三个阶段：第一阶段：将传统的电解液换成固态电解质，正负极和传统用的是一样，均采用负极石墨和正极三元锂或磷酸铁锂；第二阶段：更换负极材料，取消掉负极的石墨或硅，使用金属锂来提升能量密度；正极不变，采用磷酸铁锂或者三元材料。第三阶段：正负极都换，负极用金属锂，正极就可以换成不含锂的高能量的材料。如此来看，第一阶段换的就是“汤”，第二三阶段就是把“药”也换掉了。换“汤”比较好理解，固体电解质相对于电解液，电化学范围更广（电压更广），电解质不参与化学反应，让锂离子通过。因此，可以选择容量更大的正极材料，或者选择电压差更大的正负极材料，从而提高能量密度。那为什么要把作为“药”的正负极也更新换代呢？按照目前提高电池能量密度的手段，在正极端不断地提高镍的含量虽然可以提升电池能量密度，但是高镍电池对电池的稳定性要求具备更高的电池管理基础。因此，三元锂短期内要突破一个量级还是有一定的挑战。未来，可能也只有固态电池会将电池能量密度提升一个量级。太蓝新能源就在近日宣布成功制备出世界首块车规级单体容量120Ah，实测能量密度达到720Wh/kg的超高能量密度体型化全固态锂金属电池。作为对比，目前磷酸铁锂电池的能量密度为160-180wh/kg左右，三元锂在150-250Wh/kg之间。另外，固态电池凭借自身较高的机械强度在运用的过程中可以抑制电池循环使用之中的锂枝晶的刺穿，使锂金属负极的应用不再是梦想。把电极换为金属锂，其比容高，电压大，避免了液态电池用金属锂作负极会因多次充放电粉化、枝晶生长，导致循环性差，甚至枝晶刺穿薄膜，引起短路的风险。固态想上位，至少还需20年？这些显然就是固态电池大受欢迎的原因所在。高安全性一定是固态电池的首要优势。根据有关数据，新能源汽车起火事故原因中，电池自燃占比31％。相较之下，固态电解质不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发、不漏液，同时具有一定机械强度，安全性更好；半固态电解质中液体占比也小于10%，可燃性大大降低。五一假期发生的多起新能源车燃烧事件，更让消费者期待固态电池的到来。同时，固态电池拥有更高能量密度和较小体积。固态电池电化学窗口宽，能承受更高电压（5V以上），材料选择范围广。因此，可通过采用高比容量的正极、负极材料，使能量密度达到500Wh/kg甚至更高，远超液态350Wh/kg理论极限。而固态电解质取代隔膜和电解液，正负极之间的距离可以缩短到只有几到十几个微米，从而大幅降低电池厚度。因此，同样电量情况下，固态电池体积更小。另外，固态电池还具备宽温区运行的优势。电动车在冬季续航里程之所以下滑明显，主要在于液态电解质在冬季低温环境下流动性下降。而固态电解质可以在-30℃至100℃的更广泛温度范围内稳定工作。当然，固态电池也并非完美无缺，目前来看还是有很多缺点存在的。比如：与液态电解质相比，固态电解质与电极材料之间的接触面积较小，导致离子传输速度较慢，影响了电池的充电和放电效率；界面电阻太大，使得快充过程中的能量损耗增加，快充效率受限；固态电池的充放电循环次数有限，循环寿命较短；生产技术尚不成熟，工艺复杂，生产效率低，导致其成本远高于液态电池。这些显然都是固态电池全面商业化必须面对的挑战。欧阳明高就表示，全固态电池是公认的下一代电池的首选方案之一，也是下一代电池技术竞争的关键制高点，但是也要注意防范激进技术路线带来的颠覆性风险。“液态电池的应用周期至少还有20年。固态电池要想替代液态锂离子电池50%的市场份额，至少需要20至30年。”欧阳明高如是说。 ... PC版： 手机版：