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：

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：

科学家们开发出了一种用于锂离子电池的超低浓度电解质

科学家们开发出了一种用于锂离子电池的超低浓度电解质 锂离子电池（LIB）为智能手机和平板电脑提供电力，驱动电动汽车，并在发电厂储存电力。大多数锂离子电池的主要成分是锂钴氧化物（LCO）阴极、石墨阳极以及为阴极和阳极的解耦反应提供移动离子的液态电解质。这些电解质决定了电极上形成的相间层的性质，从而影响电池循环性能等特性。然而，商用电解质大多仍基于 30 多年前配制的系统：1.0 至 1.2 摩尔/升六氟磷酸锂（LiPF6）在羧酸酯（"碳酸溶剂"）中的溶液。在过去的十年中，高浓度电解质（> 3 mol/L）得到了发展，它们有利于形成坚固的无机主导相间层，从而提高了电池性能。然而，这些电解质粘度高、润湿能力差、导电性差。由于需要大量的锂盐，这些电解质的价格也非常昂贵，而这往往是影响可行性的一个关键参数。为了降低成本，超低浓度电解质（< 0.3 mol/L）的研究也已开始。这些电解质的缺点是，电池电池分解的溶剂多于少量的盐阴离子，从而导致有机物占主导地位，相间层的稳定性较差。由宁波大学（中国）和波多黎各大学里奥皮德拉斯校区（美国）的袁金良、夏岚和吴先勇领导的研究小组现已开发出一种超低浓度电解质，可能适用于锂离子电池的实际应用：LiDFOB/EC-DMC。LiDFOB（二氟草酸硼酸锂）是一种常见的添加剂，价格比LiPF6 便宜得多。EC-DMC （碳酸乙酯/碳酸二甲酯）是一种商用碳酸酯溶剂。这种电解液的含盐量低至 2 重量百分比（0.16 摩尔/升），但离子电导率却高达 4.6 mS/cm，足以使电池正常工作。此外，DFOB- 阴离子的特性还能在 LCO 和石墨电极上形成以无机物为主的坚固相间层，从而在半电池和全电池中实现出色的循环稳定性。目前使用的LiPF6会在潮湿环境中分解，释放出剧毒和腐蚀性的氟化氢气体（HF），而 LiDFOB 则对水和空气稳定。使用 LiDFOB 的 LIB 不需要严格的干燥室条件，而可以在环境条件下制造，这又是一个节约成本的特点。此外，回收问题也会大大减少，从而提高可持续性。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

LG新能源宣布注资美国初创公司开发新一代锂金属电池

LG新能源宣布注资美国初创公司开发新一代锂金属电池 声明称：“这项投资是一项战略决策，旨在巩固我们在电池行业下一代技术开发中的领导地位。”LG新能源没有透露这笔投资的具体金额和其他细节。Sion Power成立于1994年，总部位于亚利桑那州，拥有锂金属电池技术的核心专利。 ... PC版： 手机版：

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：

新研发的CSRD材料局部无序技术有望缩短电池充电时间 增加能量储存能力

新研发的CSRD材料局部无序技术有望缩短电池充电时间 增加能量储存能力 不稳定的电极充电电池是能源转型的关键要素，尤其是在可再生能源越来越多的今天。在多种可充电电池中，锂离子电池是功能最强大、应用最广泛的电池之一。为了使其电气连接，通常使用层状氧化物作为电极。然而，当电池充电时，它们的原子结构会变得不稳定。这最终会影响电池的循环寿命。局部失调为了解决这个问题，代尔夫特理工大学的"电化学能量存储"小组与国际研究人员合作。论文的第一作者是王启迪，他介绍说："用作锂离子电池阴极材料的层状氧化物是整齐有序的。我们进行了一项结构设计研究，通过改进合成方法在这种材料中引入化学短程无序。因此，它在电池使用过程中变得更加稳定"。有序的层状结构是锂（Li）离子阴极的重要组成部分。然而，在充电过程中，本质上脆弱的缺锂框架很容易受到晶格应变、结构和/或化学机械退化的影响，导致容量迅速下降，从而缩短电池寿命。在此，研究人员报告了一种通过在氧化物阴极中整合化学短程无序（CSRD）来解决这些问题的方法，它涉及晶格中元素在空间维度上的局部分布，跨越几个最近邻间距。这是在结构化学基本原理的指导下，通过改进的陶瓷合成工艺实现的。为了证明其可行性，研究人员展示了 CSRD 的引入如何对层状氧化锂钴阴极的晶体结构产生重大影响。这表现在过渡金属环境及其与氧气的相互作用上，有效防止了锂去除过程中晶体板的有害滑动和结构退化。同时，它还会影响电子结构，从而提高电子导电性。这些特性对锂离子存储能力大有裨益，可显著提高循环寿命和速率能力。此外他们还发现 CSRD 可以通过改进化学共掺杂的方式引入到其他层状氧化物材料中，这进一步说明了 CSRD 在增强结构和电化学稳定性方面的潜力。这些发现为氧化物阴极的设计开辟了新的途径，帮助深入了解了 CSRD 对先进功能材料晶体和电子结构的影响。经过 200 次充电/放电循环后，结构稳定性的提高几乎使电池的容量保持率翻了一番。图片来源：Roy Borghouts Fotografie循环寿命更长，充电时间更短结构稳定性的提高使电池在 200 次充电/放电循环后的容量保持率几乎翻了一番。此外，这种化学短程无序增加了电极中的电荷转移，从而缩短了充电时间。研究小组对锂钴氧化物（LiCoO2）和锂镍锰钴氧化物（NMC811）等成熟的商用阴极展示了这些优势。关键材料这些成果可能会催生新一代锂离子电池，其制造成本更低，寿命期间单位能量储存的二氧化碳排放量更小。研究小组下一步将研究是否可以利用同样的材料设计原理，用不太稀缺的原材料制造阴极。论文的资深作者马尼克斯-瓦格马克（Marnix Wagemaker）说："钴和镍都是所谓的能源技术关键材料，减少电池中这些材料的使用将是一件好事。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：