極低氣溫下鋰電池趴窩?科學家提出新解決方案
為了探索更具應用前景的鋰電池,科學家們都將目光投向了基于純鋰的金屬陽極方案,而不是當前普遍采用的混合材料。與此同時,為了攻克其在低溫下性能不佳的缺點,研究這一領域的科學家們也一直在“絞盡腦汁”,并已取得了一些突破。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202103/423092.htm據報道,加州大學圣迭戈分校(UCSD)的研究團隊就在試圖開發(fā)一種可以在極低溫度下充電和放電的電池,這通常需要額外的加熱系統,不過此次他們將重點放在了電解質上,依靠電解質中的弱結合性,令鋰金屬電池在寒冷條件下釋放出空前性能。
據了解,與當前使用的石墨/銅的混合陽極相比,純鋰金屬陽極具有出色的能量密度,因此它被認為是一項很有前途的技術。在如此之大的差異面前,一些電池研究人員甚至將鋰金屬描述為“夢想材料”,并將其視為打破能量密度瓶頸的關鍵。
作為在循環(huán)過程中于電池兩極間來回攜帶鋰離子的溶液,電解質在一塊電池中的重要性是不言而喻的。UCSD研究團隊此次的目標是開發(fā)一種不會結冰的電解質,讓鋰離子在寒冷的環(huán)境中也能進行移動。
具體而言,研究人員用了兩種類型的電解質進行實驗,其中一種可與離子牢固結合、另一種則要弱得多,進而驗證哪種情況更適用于低溫工況。
結果發(fā)現,在-60℃(-76℉)環(huán)境下,采用牢固結合電解質的這組實驗電池僅能堅持兩個循環(huán),而后就停止了工作。
而與之相對的是,使用弱結合電解質的電池在循環(huán)50次后仍能平穩(wěn)運行,并保持76%的容量。若將工作溫度改為-40°C(-40°F),這種方案甚至能保持84%的容量。
該研究第一作者John Holoubek表示,“我們發(fā)現鋰離子與電解質之間的結合、以及離子在電解質中所占據的結構,與它們在低溫下的表現有極大的關聯?!?/strong>
值得一提的是,針對此類概念驗證電池的進一步研究還表明,弱結合電解質能夠讓離子更均勻地沉積在電池陽極上,而強結合電解質則會導致塊狀和針狀的沉積(枝晶)。
這是研究鋰金屬電池的科學家們關注的另一個重點,因為它們會迅速導致電池短路和失效等嚴重故障。
研究人員表示,“通過在原子層面了解鋰離子和電解質的相互作用,不僅可以提升鋰電池的低溫表現,還有助于防止枝晶的形成”
研究小組在這些發(fā)現的基礎上,建立了一個具有硫基陰極和弱結合電解質的鋰金屬電池原型。據稱,這種設備將有望在外太空探索和深??碧降阮I域發(fā)揮重要的作用。
“這項工作的意義實際上是雙重的,”研究人員說,從科學的角度來說,它提出了與傳統觀點相反的見解。
從技術上講,這是第一款可在超低溫下充電的鋰金屬電池,它還可以在-60攝氏度完全運行的情況下提供可觀的能量密度。這兩方面都為超低溫電池提供了一個完整的解決方案。
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