固態(tài)電池,迎來技術(shù)新突破。
只需要10分鐘,就可充滿電。
并且在充放電循環(huán)6000次后,電池有效容量還有80%,優(yōu)于市場上任何一款軟包電池。
這項新的技術(shù)來自哈佛,全華班團(tuán)隊打造,論文已經(jīng)發(fā)表在Nature子刊Nature Material上。
什么樣的固態(tài)電池
當(dāng)前常見的鋰離子電池,負(fù)極多為石墨材料,優(yōu)點是工藝成熟,運(yùn)用廣泛,但缺點是理論比容量不高,為372mAh/g,商業(yè)化后大概會更低一點。
這也是為什么如今的鋰離子電池,特別是液態(tài)鋰離子電池想要增加能量密度、續(xù)航里程,往往有個上限。
因此,能量密度更高的固態(tài)電池一直被認(rèn)為是鋰離子電池的終極形態(tài),是當(dāng)下行業(yè)發(fā)展的方向。
而固態(tài)電池一大熱門負(fù)極材料就是鋰,理論比容量高達(dá)3860mAh/g,并且擁有最低的電化學(xué)勢(-3.04V),能更有效吸收和釋放電子,也能對應(yīng)更廣泛的正極材料。
另一種負(fù)極材料硅,雖然能量比容量更高(4200mAh/g),但在充放電中會產(chǎn)生劇烈體積變化,容易導(dǎo)致電池失效。
但使用鋰電子作為負(fù)極有一個最大問題就是鋰枝晶,也是電池短路失效、熱失控等嚴(yán)重后果的元兇。
雖然固態(tài)電池使用固態(tài)電解質(zhì),對于鋰枝晶的生長有一定抑制作用,但各類固態(tài)電解質(zhì)的抑制效果不一,什么樣的固態(tài)電解質(zhì)是最優(yōu)解現(xiàn)在也沒個定論。
并且,使用什么樣的固態(tài)電解質(zhì)也是目前固態(tài)電池?zé)衢T的研究方向之一。
對此,該論文的哈佛團(tuán)隊使用了一種獨(dú)特方式:在鋰金屬負(fù)極上,增加一層由微米級硅元素(Si)和石墨(G)形成的復(fù)合材料的保護(hù)層,由此誕生了性能更優(yōu)的固態(tài)電池。
團(tuán)隊使用鎳鈷錳(NMC83),以及SiG復(fù)合材料保護(hù)的鋰金屬制作了一個固態(tài)電池包,尺寸為28X35平方毫米,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般實驗室使用的紐扣電池的大小(約10倍-20倍)。
在25MPa的工作壓力下,該固態(tài)電池在5C的充電和放電倍率下循環(huán),初始容量為125mAh/g。
如圖所示,2000次充放電循環(huán)后容量保持率為92%,3000次循環(huán)后為88%,6000次循環(huán)后仍然為80%,這個表現(xiàn)優(yōu)于市場上其他的軟包電池。
并且,在不考慮壓力夾具的情況下,該軟包電池的能量密度已經(jīng)達(dá)到218Wh/kg,超過當(dāng)下主流大部分鋰離子電池的能量密度。
并且論文作者表示,未來還能通過減小隔板厚度、降低工作壓力以及增加陰極負(fù)載進(jìn)一步提升能量密度。
以上這些數(shù)據(jù)已經(jīng)充分證明了該SiG復(fù)合材料加入后,固態(tài)電池包具有的高性能。
實際上,在固態(tài)電池中植入人工固態(tài)電解質(zhì)界面層(SEI),提升固態(tài)電池的性能并不是什么新鮮事,那么為什么這樣的SiG材料就能實現(xiàn)性能突破?
材料關(guān)鍵:微米級硅顆粒
眾所周知,鋰離子電池充放電的過程,就是電池陽極反復(fù)得到和失去鋰離子的過程(或者說嵌入和脫嵌)。
也就是說,如何在電池陽極快速、均勻、穩(wěn)定地鍍上或剝離鋰,是該電池能否商業(yè)化的關(guān)鍵。
該團(tuán)隊在實驗過程中發(fā)現(xiàn),在負(fù)極鋰上增加由微米尺寸的硅構(gòu)成的復(fù)合材料,恰好可以滿足這一要求。
論文通過透射電子顯微鏡(TEM)和能量色散譜(EDS)等技術(shù)發(fā)現(xiàn),在電池循環(huán)過程中,鋰離子只和淺層的硅發(fā)生反應(yīng):
同時硅顆粒的外形沒有明顯變化:
這意味著微米級的硅顆粒并不會由于硅化反應(yīng)膨脹,鋰化反應(yīng)得到抑制;同時也不會提供有利于鋰枝晶生長的環(huán)境,或者說抑制鋰枝晶的生長。
并且,在這種材料中,硅-石墨層提供了一種活躍的3D支架,顆粒之間的空隙區(qū)域有利于鋰離子的嵌入和脫嵌,能有效提高電極容量,進(jìn)一步提高電池的總體容量。
論文作者使用硫化電解質(zhì),和由SiG復(fù)合材料保護(hù)的鋰金屬制造的固態(tài)電池,放電容量達(dá)到5600mAh/G,比理論容量4200mAh/G高出很多。
并且,也由于鋰離子的電鍍和剝離可以在平坦的硅表面上快速發(fā)生,電池只需要約10分鐘就可充滿電。
另外,論文中還對材料的鋰化反應(yīng)提出了一種新的衡量標(biāo)準(zhǔn):每單位有效模量(Keff)的鋰化組成(lithiation composition per Kcrit)。
論文中指出,每一種材料都有一個相應(yīng)的臨界模量,超過這個模量,鋰化反應(yīng)就會得到有效抑制。因此在固態(tài)電池的材料選擇中,可以選擇臨界模量更低的那種。
作者分析了59524種材料條目,發(fā)現(xiàn)除了硅以外,銀和鎂合金也是具有前景的負(fù)極材料。
論文作者簡介
本文團(tuán)隊為全華班,五位作者均來自哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院,Li Xin實驗室。
其中Ye Luhan和Lu Yang對本文作出同等貢獻(xiàn)。
Ye Luhan在2022年取得哈佛大學(xué)博士學(xué)位,研究方向包括固態(tài)電池、鋰金屬陽極、電化學(xué)等。
Lu Yang同樣在2022年在哈佛大學(xué)獲得材料工程專業(yè)研究生學(xué)位(Postgraduate Degree),在這期間還擔(dān)任助理研究員。
Lu Yang本科畢業(yè)于華中科技大學(xué)電子封裝技術(shù)專業(yè),碩士和博士都在圣路易斯華盛頓大學(xué)就讀,分別是電氣工程專業(yè)和材料科學(xué)與工程專業(yè)。
第三位作者Wang Yichao,2017年本科畢業(yè)于清華大學(xué)材料科學(xué)專業(yè),后直博哈佛,在2022年獲得材料科學(xué)博士學(xué)位,現(xiàn)在是哈佛大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)研究生院的助理研究員。
第四位作者Li Jianyuan是Li Xin實驗室的訪問學(xué)者。
本文的通訊作者,Li Xin,目前是哈佛材料科學(xué)專業(yè)副教授,同時是該實驗室首席研究員。
Li Xin在2003年畢業(yè)于南京大學(xué)物理專業(yè),后在賓夕法尼亞大學(xué)取得材料科學(xué)與工程博士學(xué)位,還在加州理工和麻省理工當(dāng)過博士后研究員。
2015年Li Xin加入哈佛,后建立Li Xin實驗室,之前曾開發(fā)出一款壽命周期達(dá)1萬次、3分鐘可充滿電的固態(tài)電池。
不僅在學(xué)術(shù)研究等方面擁有成績,2021年,Li Xin還和本文作者之一Ye Luhan等人共同創(chuàng)建Adden Energy,專注將實驗室結(jié)果推進(jìn)量產(chǎn)落地。
目前,Ye Luhan是Adden Energy的CTO,Lu Yang是Adden Energy的聚合物與電池科學(xué)家。
上述的SiG材料技術(shù)也授權(quán)給了Adden Energy,推進(jìn)該技術(shù)的量產(chǎn)落地。據(jù)Li Xin透露,公司已經(jīng)擴(kuò)大該技術(shù)的規(guī)模,能夠制造出智能手機(jī)大小的軟包電池。
對于這項新的技術(shù)突破,有網(wǎng)友表示非常不錯。他認(rèn)為這就是在朝正確的方向前進(jìn),電池的續(xù)航里程沒有那么重要,充電時間才是關(guān)鍵。
不過也有網(wǎng)友指出,如此短的充電時間則意味著更高的充電功率。
比如要在5分鐘內(nèi)要讓容量100kWh的電池充滿電,需要1.2MW的充電功率,還不包括電路損耗,當(dāng)前的充電基礎(chǔ)設(shè)施并不能滿足這樣的需求,所以擁有光伏裝置的慢充站才是更好的解決方案。
你認(rèn)為這項技術(shù)如何?未來能夠改變動力電池的行業(yè)嗎?
文章內(nèi)容僅供閱讀,不構(gòu)成投資建議,請謹(jǐn)慎對待。投資者據(jù)此操作,風(fēng)險自擔(dān)。
2024年的Adobe MAX 2024發(fā)布會上,Adobe推出了最新版本的Adobe Creative Cloud。
奧維云網(wǎng)(AVC)推總數(shù)據(jù)顯示,2024年1-9月明火炊具線上零售額94.2億元,同比增加3.1%,其中抖音渠道表現(xiàn)優(yōu)異,同比有14%的漲幅,傳統(tǒng)電商略有下滑,同比降低2.3%。
“以前都要去窗口辦,一套流程下來都要半個月了,現(xiàn)在方便多了!”打開“重慶公積金”微信小程序,按照提示流程提交相關(guān)材料,僅幾秒鐘,重慶市民曾某的賬戶就打進(jìn)了21600元。
華碩ProArt創(chuàng)藝27 Pro PA279CRV顯示器,憑借其優(yōu)秀的性能配置和精準(zhǔn)的色彩呈現(xiàn)能力,為您的創(chuàng)作工作帶來實質(zhì)性的幫助,雙十一期間低至2799元,性價比很高,簡直是創(chuàng)作者們的首選。
9月14日,2024全球工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大會——工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析專題論壇在沈陽成功舉辦。