科学家研制出第一种无阳极钠固态电池

科学家研制出第一种无阳极钠固态电池 根据发表在《Nature Energy》期刊上的一项研究，芝加哥大学的科学家研制出第一种无阳极钠固态电池。阳极会逐渐磨损，一旦磨损掉电池就没用了，无阳极不存在该问题；今天广泛使用的电池都是锂电池，而锂是稀缺性矿物质，相比下钠既丰富又价格便宜。钠电池、固态电池和无阳极电池都已经存在，但将三者组合起来还是第一次。研究人员研制出的这种新电池能稳定循环数百次，用钠代替锂使得其制造更便宜和环保，新的固态设计使其更安全。 via Solidot

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：

中科院攻克固态电池技术难关：循环300次不衰减、力争2026年量产

中科院攻克固态电池技术难关：循环300次不衰减、力争2026年量产 全固态电池具有安全性高、稳定性好、能量密度高等优点，解决了传统有机电解液电池存在的寿命短、易燃、易爆等问题。其中，硫化物全固态锂电池具备高能量密度和高倍率性能，是电动汽车电源的最佳选择，因此吸引了世界各大车企的关注和投入，并发布了相关的量产计划。据介绍，该所的先进储能材料与技术研究组已成功制备了多层叠片软包电池，经过300次循环测试，其容量几乎没有衰减。同时，该所还正在加速技术的研发和验证过程，计划在2026年率先实现硫化物全固态电池的批量生产。目前，中科院青岛能源研究所已经建立了全固态电池的小试制备线，并成功研制出高电压、长寿命的软包全固态锂离子电池。经过1000次循环测试，其容量仍然保持在92%。目前，电池正在继续测试中，以满足4C倍率下的放电能力要求（根据丰田设定的标准，需循环1500次，容量保持80%）。 ... PC版： 手机版：

加州大学圣地亚哥分校研发可自愈阴极固态锂硫电池 倍增电动汽车续航

加州大学圣地亚哥分校研发可自愈阴极固态锂硫电池 倍增电动汽车续航 固态锂硫电池是一种可充电电池，由固体电解质、锂金属阳极和硫阴极组成。这种电池具有能量密度更高、成本更低的优点，有望成为目前锂离子电池的理想替代品。与传统锂离子电池相比，它们每公斤可储存两倍的能量，换句话说，它们可以在不增加电池组重量的情况下，将电动汽车的续航里程增加一倍。此外，由于使用了丰富且易于获取的材料，它们不仅经济上可行，而且更环保。然而，锂硫固态电池的开发历来受到硫阴极固有特性的困扰。硫不仅是一种不良的电子导体，而且硫阴极在充电和放电过程中还会发生明显的膨胀和收缩，导致结构损坏以及与固体电解质的接触减少。这些问题共同削弱了阴极传输电荷的能力，影响了固态电池的整体性能和使用寿命。为了克服这些挑战，加州大学圣地亚哥分校可持续电力和能源中心的研究人员领导的团队开发出了一种新型阴极材料：一种由硫和碘组成的晶体。通过在结晶硫结构中加入碘分子，研究人员将阴极材料的导电性能大幅提高了 11 个数量级，使其导电性能比单纯的硫晶体高出 1000 亿倍。阴极材料从棕色粉末熔化成深紫红色液体，从而愈合。图片来源：David Baillot/加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院这项研究的共同资深作者、加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授兼可持续电力与能源中心主任刘平说："我们对这种新材料的发现感到非常兴奋。硫的导电性能大幅提高令人惊喜，在科学上也非常有趣。"此外，这种新型晶体材料的熔点很低，只有 65 摄氏度（149 华氏度），比一杯热咖啡的温度还要低。这意味着在电池充电后，阴极可以很容易地重新熔化，以修复因循环而受损的界面。这是解决阴极和电解液之间的固-固界面在反复充电和放电过程中发生累积性损伤的一个重要特性。这项研究的共同第一作者、加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程教授 Shyue Ping Ong 说："这种硫-碘阴极提出了一个独特的概念，可以解决锂-S 电池商业化的一些主要障碍。碘恰到好处地破坏了将硫分子结合在一起的分子间键，从而将其熔点降低到了"金锁区"既高于室温，又足够低，阴极可以通过熔化定期重新修复。""我们的新型阴极材料的低熔点使得修复界面成为可能，这是这些电池长期以来一直寻求的解决方案，"该研究的共同第一作者周建斌说，他曾是刘的研究小组的纳米工程博士后研究员。"这种新材料是未来高能量密度固态电池的有利解决方案"。为了验证新型阴极材料的有效性，研究人员构建了一个试验电池，并对其进行反复充放电循环。电池在超过 400 次循环中保持稳定，同时保留了 87% 的容量。这项研究的合著者、本田美国研究所首席科学家克里斯托弗-布鲁克斯（Christopher Brooks）说："这一发现有可能通过大幅延长电池的使用寿命，解决固态锂硫电池问世所面临的最大挑战之一。电池只需提高温度就能实现自我修复，这可以大大延长电池的总寿命周期，为固态电池在现实世界中的应用开辟了一条潜在的途径。"该团队正致力于通过改进电池工程设计和扩大电池规格，进一步推动固态锂硫电池技术的发展。"虽然要实现可行的固态电池还有很多工作要做，但我们的工作是重要的一步，"刘说。"我们在加州大学圣地亚哥分校的团队与我们在国家实验室、学术界和工业界的研究合作伙伴之间的合作使这项工作成为可能。"编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

科学家研制出一种可以弯曲并浸泡在水中的太阳能电池

科学家研制出一种可以弯曲并浸泡在水中的太阳能电池 现在，一组科学家在《自然-通讯》（Nature Communications）上发表的研究成果恰恰做到了这一点。他们面临的挑战是克服以往设备的一个关键局限，即很难在不降低灵活性的情况下使其防水。光伏薄膜通常由几层组成。一层是有源层，它从太阳光中捕捉一定波长的能量，并利用这种能量将电子和"电子空穴"分离成阴极和阳极。然后，电子和空穴可以通过电路重新连接，产生电能。在以前的设备中，传输电子空穴的层通常是通过分层的方式依次形成的。不过，在目前的工作中，研究人员将阳极层（在本例中为银电极）直接沉积在活性层上，从而在各层之间形成更好的附着力。他们采用了热退火工艺，将薄膜暴露在摄氏85 度的空气中 24 小时。论文的第一作者熊思兴说："形成这一层很有挑战性，但我们很高兴能完成这一任务，最终能制作出厚度仅为3微米的薄膜，我们期待看到测试结果。"测试结果令人鼓舞。首先，他们将薄膜完全浸泡在水中四个小时，发现它仍然保持了最初性能的 89%。然后，他们将薄膜在水下拉伸30%多达300次，结果发现即使受到这样的耐力测试，薄膜仍然保持了 96% 的性能。在最后的测试中，他们将薄膜放入洗衣机中进行循环洗涤，结果薄膜经受住了考验，这在以前是从未有过的。论文通讯作者之一 Kenjiro Fukuda 说："我们所创造的是一种可以更广泛使用的方法。展望未来，通过提高设备在其他方面的稳定性，如暴露于空气、强光和机械应力，我们计划进一步开发我们的超薄有机太阳能电池，使其能够用于真正实用的可穿戴设备。"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：