新一代可充電鋰金屬電池的能量容量是鋰離子電池的兩倍!

2012年，胡啟超創(chuàng)立了SolidQnergy Systems公司，該公司宣布推出一種新的可充電鋰金屬電池，其體積和重量是傳統(tǒng)鋰離子電池的兩倍。這種新型電池和鋰離子電池一樣安全耐用?？紤]到鋰離子電池在智能手機(jī)、電動(dòng)汽車、無人機(jī)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，這項(xiàng)發(fā)明是一個(gè)巨大的進(jìn)步。電池可以使這些設(shè)備的工作效率提高一倍，或者使它們的小型化版本成為可能。

 

電池行業(yè)的圣杯

幾十年來，研究人員已經(jīng)知道了鋰金屬電池的優(yōu)點(diǎn)(即更高的能量密度和更小的體積)。然而，直到現(xiàn)在，這些電池還不能再充電，并且會(huì)爆炸起火。這兩個(gè)特性是由鋰金屬和電池電解質(zhì)之間的反應(yīng)產(chǎn)生的。這種反應(yīng)不僅會(huì)產(chǎn)生增加電池電阻、縮短電池循環(huán)壽命的化合物，還會(huì)在陽極上形成moss-鋰金屬凸起，導(dǎo)致短路。短路會(huì)產(chǎn)生高熱并點(diǎn)燃易燃的電解質(zhì)。通常，使這些電池更安全的措施會(huì)降低它們的能源性能。新一代的鋰金屬電池通過改變電池內(nèi)部的材料來改變化學(xué)性質(zhì)，從而解決了這個(gè)問題。

 

鋰金屬陽極

為了增加能量容量，SolidEnergy公司使用非常薄的高能鋰箔代替?zhèn)鹘y(tǒng)的陽極材料石墨。隨著鋰離子數(shù)量的增加，能量密度增加一倍。此外，使用超薄的鋰箔，比傳統(tǒng)的鋰金屬陽極薄5倍，比傳統(tǒng)的石墨、碳或硅陽極薄幾倍，研究人員已經(jīng)將電池的尺寸縮小了3倍。2015年10月發(fā)布的新電池的第一個(gè)工作原型只有iPhone 6鋰離子電池的一半大小。它提供2.0安培時(shí)，相比之下，鋰離子電池只有1.8安培時(shí)。首次亮相的成功為公司帶來了1200萬美元的投資。

電池

 

可充電和安全的鋰金屬電池

 

采用超薄鋰箔作為陽極，大大減小了電池尺寸。然而，實(shí)現(xiàn)的電池只能在80攝氏度或更高的溫度下工作，不能用于許多商業(yè)應(yīng)用。

鋰金屬電池通常比鋰離子電池更容易揮發(fā)，壽命更短。為了獲得可充電的安全溶液，該公司不得不對(duì)電解液進(jìn)行化學(xué)修飾。他們的解決辦法是研制一種固體電解質(zhì)和液體電解質(zhì)的混合物。采用固體電解質(zhì)作為鋰金屬箔的涂層，以降低電池的工作溫度。此外，還有一種新型的準(zhǔn)離子液體電解質(zhì)，它不會(huì)燃燒，也不會(huì)與鋰金屬發(fā)生不良反應(yīng)。其結(jié)果是，這種電池在室溫下具有鋰離子電池的能量容量，并且具有鋰離子電池的安全性和壽命。

 

生產(chǎn)的可伸縮性

另一個(gè)令人印象深刻的特點(diǎn)是，這些電池需要與鋰離子電池相同的制造設(shè)備。這意味著它們可以相對(duì)較快地投入商業(yè)使用。實(shí)現(xiàn)這種制造能力實(shí)際上是一個(gè)影響設(shè)計(jì)的環(huán)境問題。2012年胡士泰創(chuàng)立SolidEnergy時(shí)，麻省理工學(xué)院(MIT)的電池初創(chuàng)企業(yè)A123正在申請(qǐng)破產(chǎn)。起初，這對(duì)SolidEnergy來說是令人生畏的。然而，最終A123當(dāng)時(shí)閑置的生產(chǎn)線被用來制造第一批鋰金屬電池。

電池圖

 

金屬鋰電池的發(fā)展

 

由于SolidEnergy沒有設(shè)備，沒有資金，也沒有實(shí)驗(yàn)室來制造電池，該公司被迫使用現(xiàn)有的鋰離子制造設(shè)備進(jìn)行原型。最終的結(jié)果是商業(yè)工具帶來的新技術(shù)。許多電池公司的做法恰恰相反，它們專注于材料，并根據(jù)它們將使用的材料建立自己的實(shí)驗(yàn)室。因?yàn)樗麄兪褂萌碌闹圃旃に噥碇圃祀姵氐脑?，所以他們很難適應(yīng)商業(yè)化的生產(chǎn)線。