普通岩石可帮助下一代电动汽车电池实现技术突破

普通岩石可帮助下一代电动汽车电池实现技术突破 丹麦技术大学（DTU）的研究人员 Mohamad Khoshkalam开发出了一种很有前途的固态电池新材料，可以满足容量、安全性、环保性和低成本等所有要求。这种材料主要由岩石中的元素组成，特别是钾和钠硅酸盐，它们是地壳中最丰富的矿物质。此外，这种材料无需使用钴等昂贵的金属，而目前锂离子电池的容量和寿命都需要钴。这种乳白色、薄如纸张的材料可作为电池内部出色的固态电解质层。传统的锂离子电池使用液态电解质，让锂离子在阴极和阳极之间流动，从而产生电流。然而，液态电解质有潜在泄漏等缺点。固态电解质更为安全，并能提高性能。Khoshkalam 的电解质还能在接近室温的 40°C 左右传导离子。这意味着使用这种材料的电池有可能在正常条件下制造，而不是在需要高度控制环境或极端高温的昂贵设施中制造。此外，这种材料不会对湿气产生负面反应。将电解质转化为可用的电池形式需要经过多个步骤。Khoshkalam 制成硅酸钾粉末，将其混合成溶液，然后擀成薄如纸的层。然后，将这些薄层模塑成长达 10 米的白色细长带，并仔细烘干。最后，这些带子被转移到一个特殊的手套箱环境中，与阳极和阴极组件组装成完整的固态电池单元。这些硅酸盐中的钾离子和钠离子比锂离子大一些，也重一些，因此它们不容易流动。不过，Khoshkalam 有一个未公开的"配方"，可以增强它们的导电性，超过锂离子通常所能达到的导电性。他的初步测试表明，固态电解质具有很强的性能。当然，将这种材料转化为现实世界中的电动汽车电池还需要时间（甚至可能永远无法通过可行性测试）。与锂离子电池相比，该技术仍然是一项新技术，而锂离子电池经过二十多年才实现商业化，并且还在不断发展。在制造规模上存在挑战，而且需要针对固态电解质进行优化的新电池设计。尽管如此，Khoshkalam 的团队仍希望在几年内开发出演示电池，向公司展示这种材料的潜力。硅酸盐矿物覆盖了地球上 90% 的面积，因此，廉价、环保的电池材料基本上是无限供应的，有待开发。然而，如何兑现这一承诺，而不像之前的许多尝试那样被炒得沸沸扬扬，可能是最大的障碍。 ... PC版： 手机版：

新的充电算法可将锂离子电池的寿命延长一倍

新的充电算法可将锂离子电池的寿命延长一倍 柏林亥姆霍兹中心（HZB）和柏林洪堡大学的一个欧洲研究小组开发出一种替代充电方案，使锂离子电池的寿命比现在更长。研究结果表明，通过改变充电器向电解质材料输送电流的方式，电池在经过数百次放电-充电循环后仍能保持较高的能量容量。锂离子电池是一种结构紧凑、坚固耐用的能源容器，已成为人们的宠儿。电动汽车和电子设备都依赖于它们，但随着电解质穿过分隔阳极和阴极的薄膜，它们的容量会逐渐降低。目前最好的商业级锂离子电池使用的电极由一种名为 NMC532 的化合物和石墨制成，使用寿命长达 8 年。传统的充电方式是使用恒定电流（CC）的外部电能。研究分析了使用 CC 充电时电池样品的情况，发现阳极的固体电解质界面（SEI）"明显变厚"。此外，他们还在 NMC532 和石墨电极结构中发现了更多裂纹。较厚的 SEI 和电极上较多的裂缝意味着锂离子电池容量的显著损失。因此，研究人员开发了一种基于脉冲电流（PC）的充电协议。使用新的 PC 协议对电池充电后，研究小组发现 SEI 接口变薄了很多，电极材料发生的结构变化也更少。研究小组利用欧洲两个领先的粒子加速同步加速器设施"BESSY II"和"PETRA III"进行了脉冲电流充电实验。他们发现，PC 充电可促进石墨中锂离子的"均匀分布"，从而减少石墨颗粒中的机械应力和裂纹。该方案还能抑制 NMC532 阴极的结构退化。研究表明，方波电流的高频脉冲效果最好。测试表明，PC 充电可使商用锂离子电池的使用寿命延长一倍，容量保持率达到 80%。这项研究的共同作者、柏林工业大学教授 Julia Kowal 博士说："脉冲充电可以在电极材料和界面的稳定性方面带来许多优势，并大大延长电池的使用寿命。" ... 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：

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：

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：

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：