科学家发现新型锂离子导体 可用于强化电动汽车电池

科学家发现新型锂离子导体 可用于强化电动汽车电池 利物浦大学的一个团队开发出了一种新型固态锂离子导体，可以取代电池中的液态电解质，从而提高安全性和效率。图片表示锂离子（蓝色）在结构上移动。资料来源：利物浦大学这种新材料由无毒的地球富集元素组成，具有足够高的锂离子传导性，可以取代目前锂离子电池技术中的液态电解质，提高安全性和能量容量。该大学的跨学科研究团队采用变革性科学方法来设计这种材料，他们在实验室中合成了这种材料，确定了它的结构（原子在空间中的排列），并在电池中进行了演示。这种新材料是极少数能达到足以取代液态电解质的高锂离子电导率的固体材料之一，并且由于其结构而能以一种新的方式工作。这一发现是通过合作计算和实验工作流程实现的，该流程利用人工智能和基于物理学的计算来支持大学化学专家的决策。这种新材料为化学优化提供了一个平台，以进一步提高材料本身的性能，并根据研究提供的新认识来确定其他材料。利物浦大学化学系马特-罗森斯基（Matt Rosseinsky）教授说："这项研究展示了一种新型功能材料的设计和发现。这种材料的结构改变了人们以往对高性能固态电解质的理解。具体来说，具有多种不同移动离子环境的固体可以表现出很好的性能，而不仅仅是离子环境范围很窄的少数固体。这极大地开拓了进一步发现的化学空间。"最近的报道和媒体报道预示着人工智能工具已被用于寻找潜在的新材料。在这种情况下，人工智能工具是独立工作的，因此很可能会以各种方式重现它们接受过的训练，生成的材料可能与已知材料非常相似。"这篇发现研究论文表明，人工智能和由专家调配的计算机可以解决现实世界材料发现的复杂问题，在这个问题上，我们寻求的是成分和结构上有意义的差异，其对性能的影响要根据理解来评估，我们的颠覆性设计方法为发现这些以及其他依赖离子在固体中快速运动的高性能材料提供了一条新的途径"。这项研究由利物浦大学化学系、材料创新工厂、利弗胡尔姆功能材料设计研究中心、史蒂芬森可再生能源研究所、阿尔伯特-克鲁中心和工程学院的研究人员共同努力完成。并得到了工程与物理科学研究理事会（EPSRC）、勒弗胡尔姆信托基金会（Leverhulme Trust）和法拉第研究所（Faraday Institution）的资助。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

新型电池技术终将改善电动汽车在极端天气下的性能

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：

TDK株式会社称在电池技术上取得突破

TDK株式会社称在电池技术上取得突破 全球最大智能手机电池制造商 TDK株式会社宣布开发出固态电池电解质使用的新材料，将用于固态电池产品 CeraCharge，其能量密度达到了每升 1,000 瓦时，是旧产品的 100 倍，目前市场上最先进的锂离子电池能量密度为每升 500 瓦时，TDK 的产品提升了一倍。新电池将取代旧的纽扣式电池，用于无线耳机、智能手表和助听器等可穿戴设备，TDK 计划最早 2025 年提供样品供货。 via Solidot

科学家们发现了一种稳定的高导电性锂离子导体

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：

10分钟充满电 哈佛全华班团队带来固态电池新突破

10分钟充满电 哈佛全华班团队带来固态电池新突破 什么样的固态电池当前常见的锂离子电池，负极多为石墨材料，优点是工艺成熟，运用广泛，但缺点是理论比容量不高，为372mAh/g，商业化后大概会更低一点。这也是为什么如今的锂离子电池，特别是液态锂离子电池想要增加能量密度、续航里程，往往有个上限。因此，能量密度更高的固态电池一直被认为是锂离子电池的终极形态，是当下行业发展的方向。而固态电池一大热门负极材料就是锂，理论比容量高达3860mAh/g，并且拥有最低的电化学势（-3.04V），能更有效吸收和释放电子，也能对应更广泛的正极材料。另一种负极材料硅，虽然能量比容量更高（4200mAh/g），但在充放电中会产生剧烈体积变化，容易导致电池失效。但使用锂电子作为负极有一个最大问题就是锂枝晶，也是电池短路失效、热失控等严重后果的元凶。虽然固态电池使用固态电解质，对于锂枝晶的生长有一定抑制作用，但各类固态电解质的抑制效果不一，什么样的固态电解质是最优解现在也没个定论。并且，使用什么样的固态电解质也是目前固态电池热门的研究方向之一。对此，该论文的哈佛团队使用了一种独特方式：在锂金属负极上，增加一层由微米级硅元素（Si）和石墨（G）形成的复合材料的保护层，由此诞生了性能更优的固态电池。团队使用镍钴锰（NMC83），以及SiG复合材料保护的锂金属制作了一个固态电池包，尺寸为28X35平方毫米，远远大于一般实验室使用的纽扣电池的大小（约10倍-20倍）。在25MPa的工作压力下，该固态电池在5C的充电和放电倍率下循环，初始容量为125mAh/g。如图所示，2000次充放电循环后容量保持率为92%，3000次循环后为88%，6000次循环后仍然为80%，这个表现优于市场上其他的软包电池。并且，在不考虑压力夹具的情况下，该软包电池的能量密度已经达到218Wh/kg，超过当下主流大部分锂离子电池的能量密度。并且论文作者表示，未来还能通过减小隔板厚度、降低工作压力以及增加阴极负载进一步提升能量密度。以上这些数据已经充分证明了该SiG复合材料加入后，固态电池包具有的高性能。实际上，在固态电池中植入人工固态电解质界面层（SEI），提升固态电池的性能并不是什么新鲜事，那么为什么这样的SiG材料就能实现性能突破？材料关键：微米级硅颗粒众所周知，锂离子电池充放电的过程，就是电池阳极反复得到和失去锂离子的过程（或者说嵌入和脱嵌）。也就是说，如何在电池阳极快速、均匀、稳定地镀上或剥离锂，是该电池能否商业化的关键。该团队在实验过程中发现，在负极锂上增加由微米尺寸的硅构成的复合材料，恰好可以满足这一要求。论文通过透射电子显微镜（TEM）和能量色散谱（EDS）等技术发现，在电池循环过程中，锂离子只和浅层的硅发生反应：同时硅颗粒的外形没有明显变化：这意味着微米级的硅颗粒并不会由于硅化反应膨胀，锂化反应得到抑制；同时也不会提供有利于锂枝晶生长的环境，或者说抑制锂枝晶的生长。并且，在这种材料中，硅-石墨层提供了一种活跃的3D支架，颗粒之间的空隙区域有利于锂离子的嵌入和脱嵌，能有效提高电极容量，进一步提高电池的总体容量。论文作者使用硫化电解质，和由SiG复合材料保护的锂金属制造的固态电池，放电容量达到5600mAh/G，比理论容量4200mAh/G高出很多。并且，也由于锂离子的电镀和剥离可以在平坦的硅表面上快速发生，电池只需要约10分钟就可充满电。另外，论文中还对材料的锂化反应提出了一种新的衡量标准：每单位有效模量（Keff）的锂化组成（lithiation composition per Kcrit）。论文中指出，每一种材料都有一个相应的临界模量，超过这个模量，锂化反应就会得到有效抑制。因此在固态电池的材料选择中，可以选择临界模量更低的那种。作者分析了59524种材料条目，发现除了硅以外，银和镁合金也是具有前景的负极材料。论文作者简介本文团队为全华班，五位作者均来自哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院，Li Xin实验室。其中Ye Luhan和Lu Yang对本文作出同等贡献。Ye Luhan在2022年取得哈佛大学博士学位，研究方向包括固态电池、锂金属阳极、电化学等。Lu Yang同样在2022年在哈佛大学获得材料工程专业研究生学位（Postgraduate Degree），在这期间还担任助理研究员。Lu Yang本科毕业于华中科技大学电子封装技术专业，硕士和博士都在圣路易斯华盛顿大学就读，分别是电气工程专业和材料科学与工程专业。第三位作者Wang Yichao，2017年本科毕业于清华大学材料科学专业，后直博哈佛，在2022年获得材料科学博士学位，现在是哈佛大学艺术与科学研究生院的助理研究员。第四位作者Li Jianyuan是Li Xin实验室的访问学者。本文的通讯作者，Li Xin，目前是哈佛材料科学专业副教授，同时是该实验室首席研究员。Li Xin在2003年毕业于南京大学物理专业，后在宾夕法尼亚大学取得材料科学与工程博士学位，还在加州理工和麻省理工当过博士后研究员。2015年Li Xin加入哈佛，后建立Li Xin实验室，之前曾开发出一款寿命周期达1万次、3分钟可充满电的固态电池。不仅在学术研究等方面拥有成绩，2021年，Li Xin还和本文作者之一Ye Luhan等人共同创建Adden Energy，专注将实验室结果推进量产落地。目前，Ye Luhan是Adden Energy的CTO，Lu Yang是Adden Energy的聚合物与电池科学家。上述的SiG材料技术也授权给了Adden Energy，推进该技术的量产落地。据Li Xin透露，公司已经扩大该技术的规模，能够制造出智能手机大小的软包电池。对于这项新的技术突破，有网友表示非常不错。他认为这就是在朝正确的方向前进，电池的续航里程没有那么重要，充电时间才是关键。不过也有网友指出，如此短的充电时间则意味着更高的充电功率。比如要在5分钟内要让容量100kWh的电池充满电，需要1.2MW的充电功率，还不包括电路损耗，当前的充电基础设施并不能满足这样的需求，所以拥有光伏装置的慢充站才是更好的解决方案。 ... 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：