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隨著鋰離子電池的普及 全球的鈷和鎳供應壓力不斷增長

隨著鋰離子電池的普及,全球的鈷和鎳供應壓力不斷增長(目前電池設計中必需的兩種金屬),并且價格飆升。據外媒報道,為了開發新的替代性鋰基電池,減少對稀有金屬的依賴性,佐治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的研究人員研制出新型正極和電解質系統,采用低成本過渡金屬氟化物和固體聚合物電解質,取代貴金屬和傳統液體電解質。

佐治亞理工學院材料科學和工程學院教授Gleb Yushin表示:“長期以來,用過渡金屬氟化物制造電極,一直存在穩定性差和快速失效的問題。對于能否把它應用于一下代電池設計,人們一直持有很大的質疑。但是,我們已經證明,當與一種固體聚合物電解質一起投入使用時,這種金屬氟化物表現出卓越的穩定性,即使在高溫狀態下也是如此。因此,完全可以用它來設計更安全、更輕量級和成本更低的鋰離子電池。”

隨著鋰離子電池的普及 全球的鈷和鎳供應壓力不斷增長

在典型的鋰離子電池中,鋰離子通過在正負極兩個電極間流動釋放能量。其中,正極通常是由鋰和過渡金屬構成,比如鈷、鎳和錳。電極之間的離子流動通過液體電解質實現。在本次研究中,研究團隊采用氟化鐵活性物質和固體聚合物電解質納米復合材料,制造新型正極。氟化鐵所提供的鋰容量是傳統鈷基或鎳基正極的2倍多。而且,鐵的價格要比鈷便宜300倍,比鎳低150倍。

為了生產這種正極,研究人員專門開發出一種制造工藝,可使固體聚合物電解質滲透到預制氟化鐵電極中。接著,對整個結構進行熱壓,以增加密度并減少空隙。這種基于聚合物的電解質具有兩大核心特色,那就是它在循環過程中具有彎曲性,能夠適應氟化鐵溶脹;而且,可以與氟化鐵形成非常穩定且有彈性的界面。在以往電池設計中,使用氟化鐵會出現溶脹和大量的副反應,這一直是關鍵性問題。

Yushin表示:“利用氟化鐵制造的正極具有高密度、低成本等優點,而且鐵的儲量豐富,所以這種正極擁有廣闊的發展前景。但是,以前采用這種電極,在循環過程中,會出現數量變化和液體電解質寄生副反應,以及其他性能衰退問題,限制其使用。采用彈性固體電解質,可以有效解決這些問題。”

研究人員接著測試幾種新型固態電池變體,在122度華氏溫度下,進行300次充放電循環,分析其性能表現。值得一提的是,即使冷卻至室溫,它們的表現也超過以往的金屬氟化物。

研究人員指出,提升電池性能的關鍵在于固態聚合物電解質。以前嘗試使用金屬氟化物時,會認為金屬離子移動至正極表面,最終溶解至液體電解質,造成容量損耗,特別是在高溫下。另外,當電池在華氏100度以上運行時,金屬氟化物能促使液體電解質大量分解。然而,如果將固態電解質和正極結合起來,就不會出現溶解,固態電解質可以保持非常穩定的狀態,防止電池失效。

Yushin所在實驗室的研究科學家Kostiantyn Turcheniuk表示:“我們使用的聚合物電解質非常普遍。但是,還有很多固態電解質,以及電池或電極結構,比如核殼粒子形態,同樣能夠明顯減弱甚至完全防止寄生副反應發生,實現穩定的性能特征。”

末來的時間,研究人員將致力于開發新的固態電解質,提高其性能,以實現快速充電。并將在新的設計中,將固體和液體電解質結合起來,使其與大型電池工廠采用的傳統電池制造工藝完全兼容。

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