通过简单的调整 研究人员创造出更安全、更高效的固态电池

通过简单的调整研究人员创造出更安全、更高效的固态电池固态电池有很大的前景。与目前的锂离子电池不同，固态电池不包含易燃液体，而易燃液体是一个主要的缺点，笔记本电脑和电动汽车爆燃的一系列悲剧说明了这一点。固态电池的毒性也较小，具有更高的能量密度，充电速度更快，并且可以在更多的充电循环中存活而不变质。问题是，与液体电池相比，制造这种电池既困难又昂贵，其中一个主要挑战是作为电池关键的电解质薄膜的缺陷。薄膜中形成的微小气泡阻碍了离子在电极之间的移动，减缓了充电和一般操作。一种电解质薄膜是由反过氧化物（Li2OHCl）制成的，其中材料的颗粒被压制成片状。这些经常产生不良的缺陷，降低了效率。为了克服这个问题，橡树岭团队增加了加热压片的步骤，然后让电解质在压力下冷却。结果是一种没有气泡、表面氮富集度更高的薄膜，其导电性能也提高了近1000倍，临界电流密度提高了近50%，并且亲锂性更好，这是固态电池稳定性的一个关键因素。据研究人员称，新的调整不仅提高了性能，而且还为能够在工业规模上加工固体电解质打开了大门，因为工程师将对加工过程有更多的控制。首席研究员MarmDixit说："这是同样的材料--你只是改变了你的制造方式，同时在许多方面改善了电池的性能。"这项研究发表在《ACS能源通讯》上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1364983.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1364983.htm

新论文回顾力学因素如何改变固态电池的循环过程

新论文回顾力学因素如何改变固态电池的循环过程该图像概念化了固态锂电池玻璃离子导体的加工、结构和机械行为。图片来源：AdamMalin/ORNL，美国能源部"我们的目标是强调力学在电池性能中的重要性，"ORNL多物理场建模与流动小组的科学家SergiyKalnaus说。"很多研究都侧重于化学或电学特性，却忽略了显示潜在的力学特性。"该团队横跨ORNL的多个研究领域，包括计算、化学和材料科学。他们从不同的科学视角出发，对影响SSB的各种条件进行了综合研究，从而描绘出一幅更具凝聚力的图景。Kalnaus说："我们正在努力弥合学科之间的鸿沟。"固体电解质：更安全、更坚固的替代品在电池中，带电粒子流经称为电解质的材料。大多数电解质都是液体，如电动汽车中的锂离子电池，但固体电解质也正在开发中。这些导体通常由玻璃或陶瓷制成，具有更高的安全性和强度等优点。Kalnaus说："真正的固态电池内部没有易燃液体。这意味着它们的危险性低于目前常用的电池。"然而，由于这些新型材料所面临的挑战，固态电解质仍处于早期开发阶段。固态电池组件在充电和质量传输过程中会膨胀和收缩，从而改变系统。电极在电池运行过程中不断变形，在与固体电解质的界面处产生分层和空隙。"在当今的系统中，最好的解决办法是施加大量压力，使所有东西保持在一起。这些尺寸变化会损坏固体电解质，因为固体电解质是由脆性材料制成的。它们经常在应变和压力作用下破裂。如果能使这些材料更具延展性，它们就能通过流动而不是开裂来承受压力。通过一些在陶瓷电解质中引入小晶体缺陷的技术，可以实现这种行为。工程阳极和固体电解质电子通过阳极离开系统。在固态电池中，阳极可由能量密度最高的纯锂金属制成。虽然这种材料在电池功率方面具有优势，但它也会产生压力，从而损坏电解质。"在充电过程中，不均匀的电镀和应力消除机制的缺失会造成应力集中。这些应力集中会产生很大的压力，导致锂金属流动，"ORNL的机械性能和力学小组组长ErikHerbert说。"为了优化固态电解质分离器的性能和寿命，我们需要设计下一代阳极和固态电解质，使其能够在固态电解质分离器不断裂的情况下保持界面的机械稳定性。"该团队的工作是ORNL长期研究SSB材料历史的一部分。20世纪90年代初，该实验室开发出一种被称为氧化磷锂（或LiPON）的玻璃电解质。锂磷氧化物已被广泛用作薄膜电池的电解质，这种电池具有金属锂阳极。这种元件可以承受多次充放电循环而不发生故障，这主要归功于LiPON的延展性。当遇到机械应力时，它会流动而不是开裂。"近年来，我们了解到LiPON具有强大的机械性能，可以补充其化学和电化学耐久性，"领导该材料开发团队的ORNL科学家NancyDudney说。该团队的努力凸显了SSB研究不足的一个方面--了解影响SSB寿命和功效的因素。"Kalnaus说："科学界需要一个路线图。在我们的论文中，我们概述了固态电解质的材料力学，鼓励科学家在设计新型电池时考虑这些因素。"参考文献"固态电池：力学的关键作用"，作者：SergiyKalnaus、NancyJ.Dudney、AndrewS.Westover、ErikHerbert和SteveHackney，2023年9月22日，《科学》。DOI:10.1126/science.abg5998编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1403615.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1403615.htm

新型锂离子电池材料可在10分钟内充电80%

新型锂离子电池材料可在10分钟内充电80%现在，橡树岭国家实验室的研究人员正在推动电动汽车（EV）快速充电的发展。一个电池科学家团队最近开发出一种锂离子电池材料，不仅能在10分钟内充入80%的电量，还能在1500个充电周期内保持这种能力。ORNL研究员杜志佳将新开发的液态电解质材料插入电池袋电池中。这种配方延长了超快速充电电池（如电动汽车中使用的电池）的寿命。图片来源：GenevieveMartin/ORNL，美国能源部当电池工作或充电时，离子通过一种叫做电解质的介质在电极之间移动。ORNL的杜志佳领导的团队开发出了锂盐与碳酸盐溶剂的新配方，以形成一种电解液，这种电解液能长期保持较好的离子流动性，并在极端快速充电期间大电流加热电池时表现良好。项目合作伙伴测试了在ORNL电池制造厂制造的电池袋电池，以证明电池的安全性和循环特性。杜说："我们发现，这种新型电解质配方基本上将能源部规定的极限快速充电电池寿命目标提高了两倍。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1384165.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1384165.htm

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"BESSYII"和"PETRAIII"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JuliaKowal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：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427548.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427548.htm

人工固态电解质层（ASEI）的发明有望在未来全面提高电池的功能和寿命

人工固态电解质层（ASEI）的发明有望在未来全面提高电池的功能和寿命金属锂因其能量密度优于其他材料而被选为电池阳极，这是一个明智的选择。然而，电极与电解液之间的界面存在挑战，这为在未来应用中实现更安全、更高效的性能提供了改进机会。金属锂阳极的挑战和解决方案清华大学的研究人员一开始热衷于用金属锂阳极取代石墨阳极，以构建能量密度更高的电池系统。然而，锂金属并不稳定，很容易与电解质发生反应，形成固体-电解质相（SEI）。遗憾的是，天然的SEI既脆又易碎，因此寿命和性能都很差。在此，研究人员研究了一种天然SEI的替代品，它可以有效缓解电池系统内的副反应。答案就是ASEI：人工固态电解质相。ASEI纠正了困扰裸锂金属阳极的一些问题，使其成为更安全、更可靠、甚至更强大的电源，可更放心地用于电动汽车和其他类似应用。研究成果的发表和意义9月25日，研究人员在《能源材料与器件》（EnergyMaterialsandDevices）杂志上发表了他们的研究成果。电池技术正在彻底改变我们的生活方式，与每个人的生活息息相关。为了实现真正的无碳经济，需要性能更好的电池来取代目前的锂离子电池。每个楔形层由不同的电极-电解质界面结构组成，有助于对锂金属电极进行实用的全面设计。资料来源：王艳艳，阿德莱德大学锂金属电池（LMB）就是这样一种候选电池。然而，阳极（金属锂）与电解质具有反应性，在电池运行过程中会在金属锂表面形成钝化层，即固体-电解质间相。锂金属阳极的另一个问题是电池充电时出现的所谓"枝晶生长"。枝晶看起来像树枝结构，会造成电池内部损坏，刺穿隔膜导致短路、性能不佳和潜在的安全隐患。这些弱点降低了锂金属电池板的实用性，并提出了一些必须解决的挑战。改进锂金属阳极的策略上文介绍了一些可用于制造更有效、更安全的锂金属阳极的策略。研究人员发现，要改进锂金属阳极，必须使锂离子分布均匀，这有助于减少电池负电荷区域的沉积物。这反过来又会减少枝晶的形成，从而防止过早衰变和短路。此外，在确保各层电绝缘的同时，为锂离子扩散提供更便捷的途径，有助于在电池循环过程中保持结构的物理和化学完整性。最重要的是，减少电极与电解液界面之间的应变可确保各层之间的适当连接，而这正是电池功能的重要组成部分。ASEI层的潜力和未来方向看来最有潜力的策略是聚合物ASEI层和无机-有机混合ASEI层。聚合物层在设计上有足够的可调节性，强度和弹性都很容易调节。聚合物层还具有与电解质相似的官能团，因此具有极高的兼容性；而这种兼容性正是其他元件所缺乏的主要方面之一。无机-有机混合层的最大优点是减少了层厚度，明显改善了层内成分的分布，从而提高了电池的整体性能。ASEI层的前景是光明的，但也需要一些改进。研究人员主要希望改善ASEI层在金属表面的附着力，从而全面提高电池的功能和寿命。需要注意的其他方面还有：层内结构和化学成分的稳定性，以及尽量减小层的厚度以提高金属电极的能量密度。一旦这些问题得到解决，改进型锂金属电池的前路就会一片光明。了解更多：https://doi.org/10.26599/EMD.2023.9370005...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1397963.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1397963.htm

日本科学家开发出新型完全固态可充电空气电池

日本科学家开发出新型完全固态可充电空气电池此外，在可充电空气电池中使用氧化还原活性有机分子克服了与金属有关的问题，包括形成被称为"树枝状"的结构，这种结构会影响电池性能，并对环境造成负面影响。研究人员利用基于二羟基苯醌的有机负极和Nafion聚合物电解质开发出一种全固态可充电空气电池。图片来源：早稻田大学KenjiMiyatake然而，这些电池使用的液态电解质与金属基电池一样，会带来高电阻、浸出效应和易燃性等重大安全隐患。现在，在最近发表于《AngewandteChemieInternationalEdition》的一项新研究中，一组日本研究人员开发出了一种全固态可充电空气电池（SSAB），并对其容量和耐用性进行了研究。这项研究由早稻田大学和山梨大学的宫武健治（KenjiMiyatake）教授领导，早稻田大学的小柳津研一（KenichiOyaizu）教授为共同作者。研究人员选择了一种名为2,5-二羟基-1,4-苯醌（DHBQ）的化学物质及其聚合物聚（2,5-二羟基-1,4-苯醌-3,6-亚甲基）（PDBM）作为负极的活性材料，因为它们在酸性条件下可进行稳定和可逆的氧化还原反应。此外，他们还利用一种名为Nafion的质子传导聚合物作为固态电解质，从而取代了传统的液态电解质。"据我所知，目前还没有开发出基于有机电极和固体聚合物电解质的空气电池，"Miyatake说。在SSAB就位后，研究人员对其充放电性能、速率特性和循环性进行了实验评估。他们发现，与使用金属负极和有机液态电解质的典型空气电池不同，SSAB在有水和氧气存在的情况下不会变质。此外，用聚合物PDBM取代氧化还原活性分子DHBQ可以形成更好的负极。在1mAcm-2的恒定电流密度下，SSAB-DHBQ的每克放电容量为29.7mAh，而SSAB-PDBM的相应值为176.1mAh。这种电池采用基于二羟基苯醌的聚合物负极和基于Nafion的固体电解质，具有很高的库仑效率和放电容量。研究人员还发现，SSAB-PDBM的库仑效率在4C时为84%，在101C时逐渐下降到66%。虽然SSAB-PDBM的放电容量在30个循环后降低到44%，但通过增加负极中质子传导聚合物的含量，研究人员可以将其显著提高到78%。电子显微镜图像证实，添加Nafion提高了基于PDBM的电极的性能和耐用性。这项研究展示了由氧化还原活性有机分子作为负极、质子传导聚合物作为固态电解质以及氧还原扩散型正极组成的SSAB的成功运行。研究人员希望，这将为进一步的进步铺平道路。这项技术可以延长智能手机等小型电子设备的电池寿命，最终为实现无碳社会做出贡献。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1375365.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1375365.htm