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麻省理工学院团队开发新型固体电解质和纯锂阳极

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来源:2020-02-29 中国化学与物理电源行业协会

麻省理工学院的新研究可能会使每磅电池的能量更高,寿命延长。麻省理工学院Yuming Chen和Ziqiang Wang共同合著的一篇新论文探讨了使用纯锂作为电池阳极的想法。

这种设计是开发安全固态电池的概念的一部分,通过在电池的两个电极之间省去通常用作电解质材料的液体或聚合物凝胶。固态电解质比挥发性液体电解质更安全,挥发性液体电解质在极端条件下会爆炸。

虽然许多其他小组正在研究他们称之为固体电池的东西,但Li说,这些系统中的大部分实际上在一些液体电解质与固体电解质材料混合的情况下工作得更好。“在我们的例子中,一切都是实实在在的,”他说。"里面没有任何液体或凝胶。"

“已经在固态电池上做了很多工作,包括金属锂电极和固体电解质,”Li说,但这些成果面临许多的问题。其中一个问题是没有一种固态电解质在与极易起化学反应的金属锂接触时有稳定的化学反应,所以它们往往会随着时间的推移而降解。大多数克服这一问题的尝试都集中在设计对锂金属稳定的固体电解质材料上,然而锂金属是很难做到的。然而,Li和他的团队采用了一个不寻常的办法,利用两个附加的固体,“混合离子电子导体”(MIEC)和“电子和离子的绝缘体”(ELI),工程师们都说这两个在与金属锂接触时是稳定的。

内径为100纳米的碳纳米管中的可逆锂金属电镀和剥离

另一个问题是,锂阳极在每次充电放电循环中膨胀和收缩,最终会引起固体电解质的断裂或分离。为了解决这个问题,研究员们开发了一个三维纳米构造,形态呈蜂窝状的六边形MIEC管阵列,部分注入固体锂金属形成电池的一个电极,但每个管内留有额外空间。这个蜂窝结构允许锂在不改变电极的外部尺寸或电极与电解液之间的边界的情况下膨胀和收缩。另外一种材料,ELI在MIEC墙和固态电解质之间作为机械粘合剂。

Li说,蜂窝状结构是通过化学稳定的MIEC制成的,锂永远不会失去与材料的电接触。因此,电池在循环过程中可以保持机械和化学稳定性。团队已经证实了实验内容,将一个试验装置进行了100次充放电循环,没有任何固体破裂。

在储存容量不变的情况下,新的系统可以生产出重量是传统阳极的四分之一的阳极。加上新型设计的轻薄的负极,这基本上可以大大减少电池的重量。例如,团队希望手机可以在不增加重量的情况下三天充一次电。

到目前为止,团队只建造出了一个小型设备实验室,但是Li认为这项技术可以很快得到推广。所需的材料,主要是锰,比其他系统使用的镍和钴要便宜非常多,所以这些阴极的成本可能只有现有阴极的五分之一。