美韩合作研发全硅高能量密度固态电池 可用于电动汽车、电网存储

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盖世汽车讯 据外媒报道,美国加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)的纳米工程师与韩国LG新能源电池公司(LG Energy Solution)的研究人员通过将两个电池细分领域内有发展前景的成分,创造了一种新型电池。该电池既采用了固态电解质,也使用了全硅阳极,成为一种全固态硅电池。在最初的几轮测试结果表明,此种电池非常安全、持久、能量密集,有望在电网存储、电动汽车等广泛应用中发挥作用。

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全硅固态电池(图片来源:加州大学圣地亚哥分校)

硅阳极因能量密度而闻名,其能量密度是当今商用锂离子电池中最常用的石墨阳极的10倍。另一方面,硅阳极因在电池充放电时碰撞与收缩的方式,以及如何在液体电解质中降解而臭名昭著。尽管其能量密度很高,具有诱惑力,但上述挑战也是全硅阳极无法用于商用锂离子电池。但是由于此次研究人员采用了正确的电解质,为全硅阳极提供了一条很有发展前景的道路。

高能量密度的新一代固态电池一直都将金属锂作为阳极,这限制了电池的充电速率,也限制了电池充电时温度升高(通常是60摄氏度或更高)的需求。而硅阳极克服了此类限制,能够在室温至低温情况下实现更快的充电速率,同时保持较高的能量密度。

该团队展示了一款实验室款电池,可在室温下进行500次充放电循环,而仍保持80%的容量。

硅阳极取代石墨阳极

当然,硅阳极并不是什么新鲜事物。几十年来,科学家和电池制造商一直都将硅作为一种能量密集的材料,用于混合或完全取代锂离子电池中的传统石墨阳极。从理论上看,硅的存储容量大约是石墨的10倍。不过,实际上,如果锂离子电池阳极添加硅以增加能量密度,通常会遇到现实的性能问题,特别是,电池在保持性能的同时,可以充放电的次数不够多。

大部分问题都是由硅阳极及配合使用的液体电解质之间的相互作用引起的。由于硅颗粒在电池充放电过程中,体积会膨胀较大,从而会导致情况更加复杂。而随着时间的推移,会导致严重的容量损失。

因此,加州大学圣地亚哥分校的团队采取了不同的方法,去除了全硅阳极所使用的碳和粘合剂。此外,研究人员采用了微型硅,与纳米硅相比,此种硅材料所需的加工更少,也更便宜。

一种全固态解决方案

除了去除阳极上的所有碳和粘合剂,该团队还去除了液体电解质。相反,他们采用了一种基于硫化物制成的固态电解质。实验结果也表明,此种固态电解质在全硅阳极电池中非常稳定。

过去,研究人员实现商业化硅合金阳极的方法主要集中在硅-石墨复合材料,或者将纳米结构的颗粒与聚合物结合,但是仍会遇到不稳定的状况。

通过将液体电解质换成固态电解质,同时在硅阳极上去除碳和粘合剂,研究人员避免了电池工作时,阳极浸泡在有机液体电解质中而产生的一系列相关挑战。同时,通过去除阳极中的碳,该团队显著减少了与固态电解质的界面接触(以及不必要的副作用),避免了通常在液体电解质中发生的连续容量损失情况。

该两步走的技术让研究人员能够充分利用硅的低成本、高能量和环保特性。目前,初创公司UNIGRID Battery已经获得了该项制成全硅固态电池技术的许可权。

来源:盖世汽车

作者:Fairy

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