新型負極材料問世 讓電池在20秒內提供超過40%的容量
時間:2020-09-12 15:25來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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圖片來源：UCS官網
據外媒報道，加州大學圣地亞哥分校（UC San Diego）的科學家發現一種新負極材料，可以使鋰離子電池在數分鐘內安全充電，并且可以承受數千次的充放電循環。這種新型負極名為無序巖鹽，由地球上儲量豐富的鋰、釩和氧原子組成，其排列方式與廚房里用的普通食鹽相似，但是更加隨機。在需要高能量密度和高功率的商業應用領域，如電動汽車、真空吸塵器或電鉆，這種材料前景廣闊。
這項研究由Ping Liu教授和Shyue Ping Ong教授實驗室的納米工程師共同領導。
目前，鋰離子電池常用的負極材料有兩種。最常見的是石墨負極，它的能量密度極高，單次充電可以支持電動汽車行駛數百英里。然而，由于鋰金屬電鍍過程，如果石墨負極充電速度過快，會容易發生火災和爆炸。石墨負極的替代品——鈦酸鋰負極更加安全，可以快速充電，但是能量密度顯著降低，導致電池需要更頻繁地充電。
研究人員發現的新型無序巖鹽負極Li3V2O5，處于重要的中間位置：它比石墨更安全，但是至少可以比鈦酸鋰多提供71%的能量。“它的容量和能量比石墨稍低，但充電速度更快，更安全，使用壽命更長。而且，它具有更低的電壓，與目前使用的商業化快速充電鈦酸鋰負極相比，能量密度得到大大地提高。”主要研究人員Haodong Liu說，“因此，使用這種材料，我們可以制造出充電快、壽命長、安全的電池，而且不會犧牲太多的能量密度。”
為了將這一發現商業化，研究人員成立了Tyfast公司。這家初創公司將電動巴士和電動工具定為首要市場，因為Li3V2O5無序巖鹽很適合用于便于充電的設備。研究人員計劃繼續研發此種鋰釩氧化物負極材料，同時優化其他電池組件，以開發商業上可行的整個電池。
Ping Liu表示：“很長一段時間以來，電池領域一直在尋找一種電位略高于石墨的負極材料，以實現安全、可快速充電的鋰離子電池。這種材料填補了重要的知識和應用空白，并且可以作為當今鋰離子電池制造工藝的直接替代解決方案，我們對它的商業潛力感到興奮。”
為什么要嘗試這種材料？
六年前，研究人員開始嘗試用無序巖鹽作為電池的負極。加州大學圣地亞哥分校研究小組的Haodong Liu稱：“當人們將其作為負極時，該材料的電壓需要為1.5V才能放電，但是，當我們觀察這種負極材料在電壓為1.5V時的結構時，認為這種材料有一種特殊的結構，可以容納更多的鋰離子。這意味著它可以作為負極在更低的電壓下工作。”
在這項研究中,研究團隊發現，他們的無序巖鹽負極可以在0.6V的平均電壓下，可逆循環兩種鋰離子。這要高于石墨負極的0.1V，在高充電速率下，取消鋰金屬電鍍過程可以使電池更安全,但是，低于鈦酸鋰嵌鋰時的電壓——1.5V，因此可以存儲更多的能量。
研究人員表明，Li3V2O5負極的充放電循環次數可超過6000次，而容量衰減可以忽略不計，并且可以快速充放電能，在20秒內提供超過40%的容量。由于獨特的低能量屏障再分配嵌鋰機制，所以電壓低，而且能量傳輸速率高。
為了了解無序巖鹽Li3V2O5負極為何可以良好運行，來自Shyue Ping Ong教授材料虛擬實驗室的博士后學者Zhuoying Zhu進行了理論計算。他表示：“我們發現，Li3V2O5通過一種不同于其它電極材料的充電機制工作。由于鋰離子以某種方式重新排列，所以電壓低，而且鋰迅速擴散。”
Ong表示：“我們相信，還有其它電極材料等著被發現，它們具有類似的機制。”
(責任編輯：子蕊)
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