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.THub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SoojinPark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：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424772.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424772.htm

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SoojinPark教授和博士生Dong-YeobHan与韩国能源研究所（KIER）的GyujinSong博士以及浦项N.EX.THUB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》（AdvancedScience）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3860mAh/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344Wh/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SoojinPark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GyujinSong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：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1433139.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1433139.htm

研究人员找到抑制锂电池枝晶生长的方法 提高其效率、安全性与寿命

研究人员找到抑制锂电池枝晶生长的方法提高其效率、安全性与寿命枝晶是锂离子电池在快速充电过程中可能出现的一种现象。当锂离子积聚在电池负极表面而不是夹杂在负极中时，就会形成一层金属锂，并持续增长成树枝形状，最终刺破隔膜，这会损坏电池，缩短其使用寿命，并导致短路，从而引发火灾和爆炸。XuekunLu博士解释说，通过优化石墨负极的微观结构，可以显著减少锂镀层。石墨负极由随机分布的微小颗粒组成，微调颗粒和电极形态以获得均匀的反应活性并降低局部锂饱和度是抑制锂电镀和提高电池性能的关键。石墨负极充电过程中的锂浓度分布用颜色表示。图片来源：XuekunLuetal/NatureCommunications"我们的研究发现，在不同条件下，石墨颗粒的锂化机制各不相同，这取决于它们的表面形态、大小、形状和取向。这在很大程度上影响了锂的分布和枝晶的倾向，"Lu博士说。"在开创性的三维电池模型的帮助下，我们可以捕捉到锂镀层何时何地开始形成，以及锂镀层的生长速度。这是一项重大突破，可能会对未来的电动汽车产生重大影响。"这项研究加深了人们对快速充电过程中锂在石墨颗粒内重新分布的物理过程的理解，为开发先进的快速充电协议提供了新的见解。这些知识可帮助实现高效的充电过程，同时最大限度地降低锂镀层的风险。除了加快充电时间外，研究还发现，改进石墨电极的微观结构可以提高电池的能量密度。这意味着电动汽车一次充电可以行驶更远的距离。这些发现是电动汽车电池开发领域的重大突破。它们可以使电动汽车充电更快、寿命更长、更安全，从而成为对消费者更具吸引力的选择。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379241.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379241.htm

研究：刷在电极上的粉末可防止枝晶形成 以获得高容量电池

研究：刷在电极上的粉末可防止枝晶形成以获得高容量电池据NewAtlas报道，在科学家们为追求更好的电池而探索的许多不同设计中，锂金属是一种具有巨大潜力的结构。然而，阻碍该技术发展的一个问题是，被称为枝晶的触角状生长物的形成会迅速导致电池失效。莱斯大学的科学家们为这个问题提出了一个有希望的解决方案，其形式是可以刷在电极表面的细粉，以确保它们能继续被使用。锂金属电池将使用纯锂金属代替石墨作为阳极，即锂电池的两个电极之一。这种材料提供了非常高的能量密度，可以使电池的充电速度更快，并提供多达10倍的容量，但到目前为止，让它们在长时间内可靠地工作已经证明是困难的。随着电池的循环，枝晶开始在阳极上形成，并可能导致电池短路、失效或起火。我们已经看到了许多有趣的潜在解决方案，莱斯大学的科学家已经负责了不止几个，纳米管薄膜、胶带和激光处理只是最近的一些例子。在他们的最新工作中，由化学家JamesTour领导的电池科学家们试图用一种新颖的刷洗处理来解决这个问题。该技术首先对阳极进行刷洗，以创造一个有纹理的表面，然后将磷和硫制成的粉末刷入其中。这导致粉末与锂金属阳极发生反应，形成一层精细的保护膜，改变其表面能量。“这提供了一个金属复合表面，防止锂金属从阳极流失，这是锂金属电池的一个常见问题，”Tour说。“锂金属电池的容量远远超过了传统的锂离子电池，但锂金属往往难以反复充电。”该薄膜具有调整阳极表面的效果，以促进循环过程中更均匀的行为，从而促进电池的寿命。它在测试电池中经历了340次充电循环，看到它们比现成的电池多保留70%的容量。该薄膜在电池退化的另一个关键指标方面也表现良好，它能保持超低极化超过4000小时，比没有该薄膜的阳极长约8倍。“这将简化高容量电池的制造，同时大大改善它们，”Tour说。“将这些粉末状固体打磨到锂金属阳极中，大大减少了可能使电池短路的枝晶形成，以及加速了材料的消耗。”这项研究发表在《先进材料》杂志上。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1307671.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1307671.htm

革命性的锂离子电池技术有望使电动车续航能力提高10倍

革命性的锂离子电池技术有望使电动车续航能力提高10倍由浦项工科大学教授SoojinPark（化学系）和YounSooKim（材料科学与工程系）以及西江大学大学教授JaegeonRyu（化学与生物分子工程系）领导的研究小组开发了用于高容量阳极材料的带电聚合物粘合剂，该材料既稳定又可靠，提供的容量是传统石墨阳极的10倍甚至更高。这一突破是通过用硅阳极代替石墨，结合分层带电聚合物，同时保持稳定性和可靠性而实现的。该研究结果作为封面文章发表在《先进功能材料》杂志上。像硅这样的高容量阳极材料对于制造高能量密度的锂离子电池至关重要；它们可以提供至少10倍于石墨或其他现有阳极材料的容量。但存在的挑战是，高容量负极材料在与锂反应过程中的体积膨胀对电池的性能和稳定性构成了威胁，为了缓解这一问题，研究人员一直在研究能够有效控制体积膨胀的聚合物粘合剂。然而，迄今为止的研究仅仅集中在化学交联和氢键上。化学交联涉及粘合剂分子之间的共价键，使其成为固体，但有一个致命的缺陷：一旦断裂，键就无法恢复。另一方面，氢键是分子之间基于电负性差异的可逆的二次结合，但其强度（10-65千焦/摩尔）相对较弱。研究小组开发的新聚合物不仅利用了氢键，而且还利用了库仑力（正负电荷之间的吸引力）。这些力的强度为250千焦/摩尔，比氢键的强度高得多，但它们是可逆的，因此容易控制体积膨胀。高容量阳极材料的表面大多带负电，而分层带电的聚合物交替排列，带正负电，可以有效地与阳极结合。此外，该团队还引入了聚乙二醇来调节物理特性并促进锂离子的扩散，从而形成了锂离子电池中发现的厚实的高容量电极和最大的能量密度。SoojinPark教授解释说："这项研究有可能通过加入高容量的阳极材料来大幅提高锂离子电池的能量密度，从而延长电动汽车的行驶里程。硅基阳极材料有可能将驾驶里程提高至少10倍"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1353187.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1353187.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