電池技術獲得重大突破，你充一次電能頂半個月
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-14 09:34
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想象一下，幾個星期都不用給手機或筆記本充電了。這是手機控們的夢想，也是每個電池研發(fā)人員的人員的夢想！
最近，電池研發(fā)的氟化物替代電池超越了當今流行的鋰電池。剛剛發(fā)表的一項新研究中，包括加州理工學院和噴氣推進實驗室，以及本田研究所和勞倫斯·伯克利國家實驗室，都想出了一種新的方法來制造基于氟化物的可充電電池。氟化物是一種帶負電荷的化合物。
中間紫色的為氟離子
“氟化物電池可以有更高的能量密度，這意味著它們的壽命可能比現(xiàn)在使用的電池長8倍，”研究的合著者、加州理工學院的Victor和Elizabeth Atkins化學教授、2005年諾貝爾化學獎得主羅伯特·格魯布斯說。“但是氟化物很難使用，特別是因為它具有腐蝕性和易反應性。”
在20世紀70年代，研究人員試圖用固體組件制造可充電的氟化物電池，但固態(tài)電池只能在高溫下工作，這使得它們不適合日常使用。在新的研究中，作者報告了如何使氟化物電池在室溫下工作。
JPL的化學家西蒙·瓊斯(Simon Jones)說：“我們還在研發(fā)階段，但這是第一個室溫工作的可充電氟化物電池。”他也是這項新研究的相應作者。
電池通過在正負極之間穿梭帶電原子(或離子)來驅動電流。當涉及液體時，這一穿梭過程在室溫下更容易進行。在鋰離子電池的情況下，鋰通過液體溶液或電解液在電極之間穿梭。
“充電電池就像把球推上山，然后讓球一次又一次地回滾，”加州理工學院化學教授托馬斯·米勒(ThomasMiller)說。“你在儲存能量和使用能量之間來回穿梭。”
鋰離子是正離子(稱為陽離子)，而新研究中使用的氟化物離子帶有負電荷(也稱為陰離子)。
“對于續(xù)航時間較長的電池，你需要移動更多的電荷。移動多電荷的金屬離子是困難的，但通過移動幾個單電荷的負離子，這些負離子就可以相對容易地移動，”JPL研究航天器所需的動力源的瓊斯說。“這一方案的挑戰(zhàn)在于使系統(tǒng)在可用電壓下工作。在這項新的研究中，我們證明氟離子確實值得電池科學關注，因為我們證明氟化物可以在足夠高的電壓下工作。”
使氟化物電池在液體而不是固態(tài)中工作的關鍵是一種被稱為三氟乙基醚(BTFE)的電解質液體。這種溶劑有助于保持氟化物離子的穩(wěn)定，使其能夠在電池中來回穿梭電子。瓊斯說，他當時的實習生維多利亞·戴維斯(Victoria Davis)現(xiàn)在就讀于北卡羅來納大學教堂山分校，他是第一個想到嘗試BTFE的人。雖然瓊斯并沒有多大的希望，它能否成功？但他決定嘗試了一下。最后他感到驚訝，氟化物的工作狀態(tài)原來這么好。
在這一點上，瓊斯轉向米勒尋求幫助，以了解什么解決方案更有效。Miller和他的小組對反應進行了計算機模擬，找出了BTFE的哪些方面是穩(wěn)定氟化物的。從那時起，該團隊調整BTFE解決方案，修改它的添加劑，以提高其性能和穩(wěn)定性。
瓊斯說：“我們正在研發(fā)一種新的方法來制造蓄電量大幾十倍的電池。”
我們現(xiàn)代科技日新月異，唯獨電池領域的發(fā)展停滯了幾十年了！
而今我們終于又見到蓄電池重新開始發(fā)展！也許不久的將來，我們可以用上氟化物電池，可以連續(xù)玩十幾天不用充電！
“現(xiàn)在所使用的鋰離子電池成本較高，技術也不成熟，所產(chǎn)的鋰離子電池存在不少安全隱患。”哈爾濱工業(yè)大學教授王振波表示。
據(jù)了解，近年來大型動力電池事故頻發(fā)，很大程度上是由于電池內部使用液態(tài)電解質。“是否安全對鋰離子電池儲能來說非常關鍵。”清華大學材料學院副教授李亮亮強調。
“目前選擇使用的液態(tài)有機電解液易燃易爆，用固態(tài)電解質代替液態(tài)電解液，是我們公認可以提升鋰電池安全性能最為有效的方法之一。”中國科學院青島生物能源與過程研究所副研究員董衫木表示。
李亮亮說：“固態(tài)電解質不易燃，還不會產(chǎn)生液態(tài)電解液，因此不帶腐蝕性，是解決電池安全性問題的有效方法，也符合未來電池發(fā)展的趨勢。”
技術瓶頸待突破
據(jù)了解，高安全性是儲能電池應用的基礎和前提，固態(tài)化是解決二次電池安全性的有效途徑。固態(tài)鋰電池已進入全球加快布局和研發(fā)的階段，很多著名機構都在開發(fā)固態(tài)鋰電池。包括韓國三星、日本豐田和我國眾多電池和汽車廠商，都加大了固態(tài)電池研發(fā)投入，目前已有部分電池進入裝車測試階段。盡管前景可期，但由于技術和工藝上的種種問題，發(fā)展固態(tài)電池的道路絕非一帆風順。
首先，高效的電解質材料體系缺乏。董衫木認為，“現(xiàn)今固態(tài)電池采用的固態(tài)電解質普遍存在性能短板，距離高性能鋰離子電池系統(tǒng)的要求仍有不小的差距。”
其次，固態(tài)電解質和電極的界面處理也是固態(tài)電池目前面臨的一大難題。“在固體電解質中鋰離子傳輸阻抗很大，與電極接觸的剛性界面接觸面積小，在充放電過程中電解質體積的變化容易破壞界面的穩(wěn)定。”李亮亮指出。此外，在固態(tài)鋰電池中，電極內部還存在復雜的多級界面，電化學以及形變等因素都會導致接觸失效影響電池性能。
再次，長期使用時穩(wěn)定性不理想也是長壽命儲能固態(tài)電池發(fā)展的瓶頸。
新技術層出不窮
據(jù)介紹，針對固態(tài)電池，我們要從最基礎的材料、界面、單體，一直到最終的系統(tǒng)模塊進行研究，只有從根本上解決了關鍵材料和界面問題，才能開展系統(tǒng)的工藝研究，從而滿足單電池的性能要求。
面對發(fā)展過程中接連不斷的挑戰(zhàn)，各種新技術“百家爭鳴”。
比如，在固體電解質材料上，業(yè)內發(fā)現(xiàn)基于石榴石結構的鋰鑭鋯氧(LLZO)固體電解質體系的固態(tài)電池具有優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能，它也因此成為一大技術熱點。“LLZO是一種性能優(yōu)異的填料，能夠提高聚合物基復合固態(tài)電解質的性能?；贚LZO的固態(tài)電池循環(huán)1000次后容量仍能保持81%。”李亮亮介紹。
而界面處理的研究熱點主要集中在界面設計及修飾層上，目前凝膠化的界面設計已經(jīng)取得了較好成果。通過凝膠態(tài)的聚合物對界面進行修飾，增加接觸面積的同時還可以緩沖循環(huán)過程中的體積效應，在室溫下經(jīng)過300次循環(huán)，基本無退化，這樣的結構設計較好的改善了電池性能。
