建设更好的电池

不难想象一个更好的设计比今天的锂离子可充电电池,Xiaodan黄说。有很多概念新电池设计,可以提供更好的能量密度,更好的功率密度,提供更快的充电特性,比目前的锂离子电池,”说,电池材料在澳大利亚昆士兰大学的研究员。但当我们试图把这些电池从理论到行业,从基础知识到原型——这是困难的,”黄补充道。

一些有前途的电池概念一直停留在研究阶段了半个世纪,但是他们不可能在实验室了。引发了新兴的跨部门电气化繁荣,一场激烈的努力正在进行中,将给现实世界带来高性能电池技术使用。一个热点的研究领域是电池适合网格规模的电能存储(见长期存储的问题)。另一个司机是对电动汽车的需求。

锂是最小的最轻的金属,渴望放弃一个电子

如果你看看周围的法律在美国和欧洲通过电动汽车和排放,和你做市场的资金规模,有完整的确定性,这些新电池,”马修·希尔说,电池化学家在墨尔本莫纳什大学,澳大利亚。速度这些下一代电池概念终于走出实验室是一个大问题,他补充道。镍和硬币,如果我们没有已知的结束这种情况——但如果我们把严肃的投资,然后在几年的时间我们会开始看到的产品。

油门踏板

要做一块更好的电池为移动应用,如手机、笔记本电脑、电动汽车、定义设计参数是包的最大电能到最小、最轻的包。如果你回到元素周期表,从头设计这样一个电池,仍然很难经过锂(参见下面的锂空盒子)。这是最小、最轻的金属,渴望放弃一个电子。

”是否有品牌的新的化学反应,可以用锂能量密度有竞争力,此时简短的回答是不,”刘萍认为,电池加州大学的研究员,美国圣地亚哥。但这并不是说我们不能用多次做锂电池的能量密度今天的商业电池,他补充道。

而不是失去锂,许多beyond-lithium-ion电池概念旨在消除一些行李称重当前一代的技术。从阳极。

商业锂离子电池用石墨作为夹层阳极。石墨锂离子雀巢各个层之间的主机。与石墨锂你建立一个幸福的家,”刘说。但石墨增加了电池的体积和重量,降低其能量密度。

替代模型

一个通往更高容量下一代电池可以用另一种代替石墨阳极材料。石墨电荷容量372毫安时每克,但硅,它可以吸收锂离子通过一个合金阳极反应,有一个容量2009毫安时每克。充电导致硅膨胀上升了400%,然而,体积变化大于石墨的40倍。这种极端扩张和收缩裂缝硅阳极,导致电池cyclability差。

与硅有关的问题已经导致许多研究人员回避它,看最终的锂电池阳极材料:金属锂本身。活跃的电荷携带材料,金属锂阳极有高耸的每克3860 mah的理论能力。

斯坦利·惠廷汉姆的原始工作发展锂电池在1970年代早期,他赢得了2019年诺贝尔化学——使用金属锂阳极。但到目前为止,一个实际的锂金属电池已被证明难以捉摸。

充电和放电锂金属电池从根本上是一个电化学镀锂和剥离的过程。但它是不完美的。就像任何电镀,你不能保证板光滑锂结构,”刘说。当你带锂,它不溶解均匀。”几个充电周期,一块锂可以开始像一块海绵。在电解质锂很被动,所以表面积越高,反应活性越高,和你开始失去锂。

惠廷汉姆的锂电池概念只成为商业现实一次这个问题避免了通过引入含碳阳极。“当我们从石墨锂,我们邀请了很多很困难的挑战,”刘说。

氟化锂是一个神奇的化合物

一个领域的研究都集中在修改电解液,结合锂不那么严格,使得它更容易析出。另一个方向是使用外部力量,如压力、治愈的电极。锂是很柔软的,所以即使你不板很好有时你可以挤压成形状,”刘说。

在刘的实验室,他最近的工作都集中在锂的表面板上。电镀涉及两个接口:锂阳极表面和电解液。锂的高反应性是指阳极总是涂有一层钝化层称为固态电解质界面(SEI),由电解液分解(参见下面的盒子关注解决方案)。

高效的电池充电,一个SEI富含氟化锂已被证明是有益的。“被一个神奇的化合物,”刘说。的人说这是因为与氟化锂锂非常弱相互作用,所以钝化层不慢下来。快速运动的锂原子允许形成光滑、平坦阳极表面,而不是一个分支覆盖树突峰值。

但根据传统智慧,锂是电镀的表面上应高度lithophilic,所以锂喜欢坚持。某种程度上我们有了不同的要求所涉及的两个接口锂电镀,”刘说。锂应该快速行动通过驱lithium-fluoride-rich SEI,然后遇到一个衬底只是想坚持。

在传入的锂离子能够滑冰表面上可能是一个更好的路线光滑、平坦的表面锂,刘被怀疑。“如果氟化锂是这样一个神奇的化合物,我们为什么不也在衬底方面吗?”他想。他的团队创建了一个表面氟化锂镶嵌着导电氟化铁群岛锂成核的网站。一旦锂铁成核,其表面扩散非常迅速,我们得到了这些美丽的晶体。氟化锂的想法是不可思议的是正确的。现在团队旨在概念合并到一个实际的电池。

积极的思考

在商业锂离子电池,电极妥协继续在阴极一侧的细胞。不错,分层的家是提供雀巢为锂离子电池放电,形成的镍钴锰氧化物材料。但是,金属氧化物材料增加了一定的重量,以及成本。

交替阴极化学正在接受调查,尤其是硫。我们消除了镍、钴、锰、成本,供应和伦理问题与他们有关,与硫取代,这是一个浪费世界各地的产品,”希尔表示(更多关于全球资源问题,请看锂的高峰)。”,给了我们很多的可持续性改进,而且这些电池的性能可能是好多了。”

固体,硫是一个非常轻阴离子元素。他们太轻了每单位质量性能要高得多,大约五倍,”希尔说。很有吸引力的重量的情况下是很重要的,而且成本是重要——无处不在。”

我们试图使用mof模型分离器材料

硫的一个缺点是它的放电电压,2 v左右,低于今天的锂离子技术。因此,它不会对石墨阳极。因为电压很低,需要储存更多的电荷,这意味着你需要更多的石墨,”刘说。“这是一个亏本生意。“锂金属阳极,相比之下,没有这样的妥协。“锂金属硫开启了大门,”刘说。

硫端的技术挑战依然存在。一个问题是,形成多硫化锂硫之间的副反应。如果多硫化到阳极,他们开始在锂形成树突表面,”希尔说。这是朝着短路,结束你的电池。

可以抑制这个问题,希尔一直致力于改善电池分离器,纳米多孔膜放置在阳极和阴极之间保持相互冲突的化学物种。“我们希望锂穿过分离器非常快,我们希望基本上没有其他的经历,”希尔说。

希尔的研究背景是在有机框架(mof)。我们试图使用mof模型分离器材料,理解的属性和行为,然后,转化为廉价、可伸缩的,现成的材料,”他说。这个团队开发了低成本的碳基分离器材料,通过控制孔隙大小和电荷,他们允许容易运输小积极锂离子阻止更大的时候,带负电的聚硫。

锂硫电池的另一个难题是,当吸收锂硫电池放电期间,它膨胀了80%。一块硫磺会瓦解几个周期;需要更多的弹性材料。“我们已经开发出一种蜘蛛网的网络使用灵活绑定保存硫纳米颗粒在一起,然后阴极可以膨胀和收缩没有崩溃,”希尔说。”最新的一个报道工作很好,使用纤维素。的材料证明的好处吸收某些多硫化合物,有助于让他们隔离远离阳极。这个团队现在正将这些发展纳入更大的电池,一个比一个智能手机电池,希尔补充道。我们使用电池动力无人机,展示我们能做一些实际的规模。”

十年前,我们很兴奋当我们做了一个细胞可以充电和放电的10倍

刘翔的实验室里,灵活的硫阴极也正在开发中。一种方法我们已经是锚定硫共轭聚合物骨干,”刘说。让它,我们只是加热聚丙烯腈的混合物,一个工业纺织前体,单质硫。在350°C,廉价的原料当硫使脱氢丙烯腈反应形成含硫,电子导电聚合物polypyridine-type骨干。

的材料作品精美,但结构极其复杂,”刘说。研究小组正致力于描述进一步优化其性能。社区的很多人想了解这个结构,因为它可能是一个可持续的阴极材料的关键,”他说。

英国2021年失败的锂硫电池启动Oxis能源提醒的挑战依然存在,但正在取得进展。“十年前,当我们第一次开始在这个领域,我们很兴奋当我们做了一个电池,我们可以成功地充电和放电的10倍,”他说。通过改变结构的硫阴极,在分离器和工作,我们只是发表了一篇文章,我们达到1000周期”。同样的电池仍在实验室运行和最近点击超过10000次,希尔补充道。

轻如空气

从理论上讲,最终的高能量密度电池会根据空气阴极化学。而不是随身携带一个阴离子元素如硫、锂空气电池吸引空气中的氧气。“长期、非常高风险、高回报的电池技术,金属气质,“Yuzhuang李说,加州大学研究员,洛杉矶,美国。

按体积能量密度,锂空气是唯一储能可比汽油

这些电池结合了金属锂阳极电镀过程方面,与一个electrocatalytic氧进化/在阴极还原反应。“你有两个难题拼接在一起,一个系统,使复杂性指数更困难,”李说。

穆罕默德Asadi伊利诺伊大学、美国、以及合作者在阿贡国家实验室,研究人员问题。“按体积能量密度,锂空气是唯一能量储存与汽油比较,“Asadi说。但也不是轻而易举的事情,”他补充道。

Asadi最近的焦点一直是固态电解质的锂空气电池。一旦你有一个固态电解质,实现高能量密度都是电解质的厚度,”他说。“低宽度材料提高电池性能同时降低体重。

善其固态电解质必须结合机械强度,为锂离子,离子电导率和良好的连接到阳极和阴极。一些研究者尝试用聚合物电解质,但有限的离子电导率电极有很好的连接。别人试过陶瓷,具有非常高的离子电导率,但可怜的阴极和阳极之间的接口。的挑战是采取最好的属性两种类型的材料,这是我们设计的最新的电解质,“Asadi说。

简单的混合陶瓷和聚合物组件通常会导致最糟糕的两个世界。所以我们使用一种中间相的材料,“Asadi说。大量的实验后,研究小组制作了一个材料硅烷聚合物组成的,与李化学结合₁₀《全球经济展望》₂年代₁₂纳米粒子。富锂纳米粒子为锂离子在细胞提供途径,提高离子电导率,同时保持良好的阳极和阴极的接口。

但令人吃惊的是我们细胞的化学,“Asadi说。典型的化学液体电解质锂空气电池包括双电子转移反应使锂过氧化,李₂O₂。我们的新的固态电解质界面意外使可逆four-electron转移可行的,”他说。由四个电子转移而不是两个,应该显著提高电池的能量密度。

不一定是在实验室规模的挑战

固相固相界面的关键似乎是在阴极有足够高的离子和电子电导率打破O₂李,形成₂啊,在four-electron转移室温的过程。我们的电池了每公斤约700 wh的能量密度。我们争取每公斤wh - 2000人,是终极目标,Asadi说。

团队还在研究是否,在短期内,他们的固态电解质可以提高传统锂离子电池的能量密度。这并不容易实现,但是有承诺,“Asadi说。

跳的差距

没有短缺,为下一代电池发展前景的途径。“根据我的经验,你会看到很多新闻媒体说“这是下一个电池的突破”,但是我想挑战不一定是在实验室规模,”李说。我认为可以投入更多支持单电池之间弥合这一差距,工作真的很好地在实验室规模,电池组和一个真正的规模,”他说。

此外,建立电池“Gigafactories”在世界范围内,基于当今锂离子技术,可能使新技术更难突破,李补充道。“你有这巨大的基础设施投资,所以如果你的技术不会很好地集成所有这些昂贵的设备,它将是非常具有挑战性的削弱。

但对于希尔来说,纯粹的加速对电池的需求,对于不同的应用程序,是一个关键考虑下一代电池发展将如何上演。我们总是有许多不同的化学电池使用的规模,我们有铅酸,镍、锂离子,它们共存,”他说。”不一定是只有一个化学,可能有三个,可能有五,都发现他们的利基。

詹姆斯·米切尔乌鸦是一个基于科学作家在墨尔本,澳大利亚