固态电池技术新进展:未来电池将更小更安全!

IntelligentThin 2019-03-20 17:11

导读


近日,美国康奈尔大学的一项新研究推进了固态电池的设计。研究人员从液态电解质入手,然后将其转化为电化学池内部的固态聚合物。他们综合利用了液态与固态特性的优势,突破了目前电池设计中的关键限制。


背景


电池,几乎在我们身边无处不在,从智能手机到电动汽车再到无人机,目前大多数产品都是依靠电池来提供能量的。对于电池,我们一般会有以下这些希望:能为产品及时地提供能量;可快速充电;一次充电可以维持尽可能长时间的使用;不会突然失效或者起火。


近年来,媒体报道了多起有关锂离子电池燃烧与爆炸的安全事故,例如三星手机爆炸、特斯拉电动汽车自燃、锂电池工厂起火等。这些安全事故引发了人们对于锂电池安全性的忧虑和关注。



网友展示的三星note 7手机充电时发生爆炸的图片(图片来源于网络)


那么,是什么原因导致锂离子电池燃烧的呢?目前,业界普遍认为锂电池的燃烧与高度易燃的电解液相关。这种易燃性电解液本身包含着固有的安全隐患,这是阻碍锂离子电池进一步发展和应用的主要瓶颈。


随着如今人们对于电动汽车的兴趣不断增长,研究人员和业内人士都在寻求改善充电电池技术,使之能为普通汽车、无人驾驶车辆、机器人和其他新一代设备安全可靠地提供能量。


固态电池,就是这样一种新兴技术。它具有成本低、安全性高、寿命长、能量密度高、充电速度快等优势。在固态电池中,所有的电极以及电解质都是由固态物质制成。固态电极,即使被加热到很高温度,或者暴露在空气中,也不会着火。


(图片来源:Forschungszentrum Jülich / Regine Panknin


创新


近日,美国康奈尔大学的一项新研究推进了固态电池的设计。研究人员从液态电解质入手,然后将其转化为电化学池内部的固态聚合物。他们综合利用了液态与固态特性的优势,突破了目前电池设计中的关键限制。相关论文于3月11日发表在《自然能源(Nature Energy)》期刊上。


(图片来源:Qing Zhao)


技术


这项研究的博士后研究员、论文领导作者 Qing Zhao 表示:”让我们想象一个盛满冰块的玻璃杯,一些冰会与玻璃接触,不过中间会有空隙。可是如果你将玻璃杯盛满水并冷冻它,那么玻璃杯与冰块之间的界面将被完全覆盖,你在玻璃杯的固态表面与其内含的液态之间建立起了一个强大的连接。同样的概念应用到电池中,可以提升离子从电池电极固态表面向电解质转移的迁移率,且这样的操作无需可燃性液体。“


这项研究的关键在于,引入了能在电化学池中引起聚合作用又不会损害电池其他功能的特殊分子。如果电解质是一种环醚,引发剂经过设计后可用于拆开环,形成绑定在一起的活性单体链,从而创造出长链一般的分子,这些分子本质上与醚具有相同的化学特性。这种固态的聚合物与金属界面保持着紧密的结合,就像玻璃杯中的冰一样。


价值


除了可以提高电池的安全性,固态电解质还可以带来新一代电池。这些电池利用金属包括锂和铝作为阳极,实现比目前最先进的电池技术高得多的能量存储。在这个背景下,固态电解质能防止金属形成枝晶。枝晶现象会引起电池短路,导致过热和失效。


虽然认识到了固态电池的优势,但是业界在尝试大规模制造固态电池的时候遇到了挫折。制造成本高以及之前设计的界面特性差,都成为了显著的技术障碍。固态系统也通过提供对于热变化更高的稳定性,从而避免了冷却电池的需要。


论文高级作者、史密斯化学与生物分子工程学院的教授 Lynden Archer 表示:“我们的研究为创造具有一系列应用的实用固态电池开辟了一条全新的途径。”


Archer 称,创造固态聚合物电解质的这种新型原位策略,让我们感到特别振奋,因为它有望带来具有延长的循环寿命和再充电能力的高能量密度可充电金属电池。


Archer 表示:“我们的方案能使目前的锂离子电池变得更安全,也为未来的电池技术提供了机遇。”


关键字


电池固态电池锂电池聚合物


参考资料


【1】http://news.cornell.edu/stories/2019/03/advances-point-way-smaller-safer-batteries

【2】Qing Zhao, Xiaotun Liu, Sanjuna Stalin, Kasim Khan, Lynden A. Archer. Solid-state polymer electrolytes with in-built fast interfacial transport for secondary lithium batteries. Nature Energy, 2019; DOI: 10.1038/s41560-019-0349-7





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