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硅阳极固态电池实现技术突破:将比传统电池更安全

作者:中国储能网新闻中心 来源:AutoByte 发布时间:2021-10-31 浏览:

原作者 / Charles Q. Choi,科学记者,曾为《Scientific American》、《The New York Times》、《Wired》、《Science》等杂志供稿。

编译 / 文龙

固态电池有望证明比传统电池更安全、更持久。加州大学圣地亚哥分校的科学家们在 9 月 24 日的《科学》杂志上详细介绍了他们的发现,并凭借这一发现成立了初创公司Unigrid Battery。该公司表示,他们会在未来五年内将固态电池商业化,应用于电动「超级汽车」和电网中。

传统电池通过两个电极(阳极和阴极)之间的化学反应供电,这两个电极一般情况下通过液体或凝胶电解质相互作用;而固态电池则改为使用固体电解质,比如陶瓷。

在重量或空间相同的情况下,固态电池可以提供比传统电池更多的能量。「由于续航里程是一个非常关键的参数,因此固态电池将对电动汽车大有裨益,」 Avesta Battery and Energy Engineering (ABEE) 的 CEO 兼创始人 Noshin Omar 说。「传统的锂离子电池使用易燃易挥发的有机液体电解质,固态电池与其相比也安全得多。」

现在,ABEE 正在帮助意大利汽车制造商 Automobili Estrema 开发一款可在实际道路上使用的电动「Fulminea」,该车将于 2023 年下半年上市。它将配备四个电动机,总峰值功率为 1.5 兆瓦(2040 马力),使汽车能够在 10 秒内从 0 加速到 320 公里/小时;并且配备ABEE 的固态电池与超级电容器相结合的混合电池组,预期续航里程约为 520 公里。

「目前,我们的固态电池能量密度约为每公斤 400 瓦时,大约是市场上商用锂离子电池一般能量密度的两倍,」 Omar 说。「我们的目标是到 2025 年实现每公斤 450 瓦时的能量密度。」

ABEE 提供的电池使用金属锂阳极、富镍阴极和硫化物电解质,而电池专家Imecar Elektronik将帮助包装电池。电池组的预计重量将低于 300 公斤,而 Fulminea 的预计总整备重量为 1500 公斤。

「我们现在的目标是实现技术的可扩展性——优化生产过程、电池寿命和充电率,」Omar 说。

此外,该团队还与电子巨头 LG 合作开发了一种新型全固态硅电池,初步测试表明该电池安全、持久且能量密集。该大学和LG Energy Solution已就这项工作联合提交了专利申请,而 Unigrid Battery 公司已获得该技术的许可。

「按照目前的趋势,我们的目标是到 2025 年生产出我们的第一个商业相关产品,并在 2030 年实现广泛的市场渗透,」加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师 Zheng Chen 说。

具有高能量密度的固态电池通常依靠金属锂作为阳极。但是,这些组件对电池充电率有限制,并且在充电过程中需要较高的温度,通常为 60 摄氏度甚至更高。但是,硅阳极可以克服这些限制,在室温和低温下实现更快的充电速率,同时保持高能量密度。

「金属锂通常被认为是电池阳极的不二之选。硅的发现为采用金属锂的替代品开辟了广泛的可能性,」陈说。「此外,硅是一种资源丰富、成本低且安全的材料。这是一种更环保的方法。」

加州大学圣地亚哥分校

1)全固态电池由正极复合层、硫化物固体电解质层和无碳微硅负极组成。

2) 在充电之前,离散的微型硅颗粒构成了能量密集的阳极。在电池充电过程中,正锂离子从阴极移动到阳极,形成稳定的二维界面。

加州大学圣地亚哥分校

3) 随着越来越多的锂离子进入阳极,它与微硅反应形成相互连接的锂硅合金 (Li-Si) 颗粒。反应继续在整个电极中传播。

4)反应使微硅颗粒膨胀致密化,形成致密的锂硅合金电极。锂硅合金和固体电解质的机械性能在保持二维界面的完整性和接触方面起着至关重要的作用。

几十年来,科学家和电池制造商一直在研究硅作为一种能量密度高的材料,以混合或完全替代传统锂离子电池中的石墨阳极。理论上,硅提供的能量密度大约是石墨的 10 倍。

然而,之前将硅添加到锂离子电池阳极的尝试遇到了性能问题。具体来说,这种电池在保持性能的同时进行放电和充电的次数对于商业用途来说还不够高。这主要是因为硅阳极在与它们配对的液体电解质相互作用时会被降解,并且硅颗粒在充电和放电时会大幅膨胀和收缩。

新电池摒弃了液体电解质,取而代之的是使用固体硫化物电解质。这些电解质通常被认为是高度不稳定的,但这是基于对液体体系的研究而不是考虑固体版本的稳定性。新研究发现,这种电解质在全固态硅阳极电池中非常稳定。

「所提出的固态策略克服了与传统液体体系相关的普遍挑战,」陈说。

科学家们还去除了阳极上的所有粘合剂以及碳。这显着减少了他们与固体电解质的接触和不必要的副反应,避免了液体电解质中常见的连续能量损失。此外,他们使用微米级硅颗粒,比先前经常使用的纳米级硅颗粒更便宜。

在实际测试中,实验室原型电池在室温下进行了 500 次充放电循环后容量保持率为 80%,而以前对硅阳极电池的实验通常只能达到大约 100 次稳定循环。

新电池保证了在空间方面具有高能量密度。因此,研究人员建议这些设备最终可以用于网格存储应用。「硅基全固态电池解决了与传统电池用于此类应用相关的成本和安全问题,」陈说。「如果成功,每个家庭都将配备由这项创新的储能系统,从而降低水电费、作为备用电源以及支持全球能源转型。」

相比之下,电动汽车往往需要在重量方面考虑具有高能量密度的电池。不过,「我们不排除汽车应用,」陈说。

原文链接:https://spectrum.ieee.org/solid-state-battery

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关键字:固态电池

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