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手機再也不怕凍關機了!鋰離子電池零下60攝氏度也能高效運行

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年04月06日  

最新出版的《科學》雜志刊登了電解液化學研究領域的一項重大突破:美國科學家首次使用液化氣取代電解液,分別讓鋰和超級電容器在零下60℃和零下80℃還能保持高效運行。新技術不僅提高了電動汽車在寒冷冬季單次充電的運行里程,還能為高空極冷環境下的無人機、衛星、星際探測器等供應電能。電池


科學界普遍認為,電解質是改進儲能裝置性能的最大瓶頸。液態電解質已經遭遇研究極限,許多科學家現在將目光聚焦在固態電解質。但加州大學圣地亞戈分校可持續電力和能源中心及能源儲存和轉換實驗室主任孟穎教授帶領其團隊,反其道而行之,研究氣態電解質并取得突破。這些氣態電解質能在一定壓力下液態化,且更能抗凍。


在新研究中,他們從大量氣體候選物中選出兩種液化氣氟甲烷和二氟甲烷,分別制成鋰離子電池和超級電容的電解質,使得鋰離子電池的最低工作溫度從零下20℃延伸到零下60℃,超級電容的工作溫度從零下40℃延伸到零下80℃。而且,回到正常室溫后,這些電解質仍能保持高效工作狀態。


除了創造低溫工作紀錄,這些氣態電解質還克服了鋰離子電池中常見的熱失控問題,更具安全優勢。熱失控是電池中的熱量惡性循環,電池工作時溫度會升高,啟動一系列化學反應,這些反應出現的熱量反過來進一步讓電池變熱,使電池膨脹而毀壞。但氣態電解質在高于室溫的環境下,會啟動一種天然關閉機制,讓電池失去導電性停止工作,從而防止電池過熱。


最新研究還克服了鋰離子電池充放電壽命太短的另一大挑戰。因重量輕且能儲存更多電荷,鋰金屬被公認為最終電極材料,但鋰會與傳統電解液發生反應,在電極表面形成針尖狀突起,將電池分隔從而引起短路,造成充放電次數過少。而新電解質不會形成突起,大大延長了電池壽命。以圓柱形電池為例,如上圖所示,鋰離子電池的重要結構包括殼體,正極,負極,隔膜,電解液,安全閥等安全保護裝置以及一些導電密封輔助結構。


殼體,是整只電芯的保護層,對電芯起到支撐、隔離和絕緣等保護性用途。軟包電池,沒有高強度的殼體,其在小規模成組以后,也要設計具備一定強度的殼。


直接參與電池電化學過程的是正極、負極和電解液,可以說它們是事故的源頭,也是真正解決安全問題的病根所在。


2正極、負極和電解液的安全性問題


鋰離子電池的安全事故,無論是電芯老化或者自身質量問題帶來的自內而外的過熱,進而導致熱失控,還是由于交通事故或者其他類型的濫用造成的熱失控,事故發生總要經歷電芯材料劇烈反應的過程,假如能夠阻斷這個點,則電池可以失效,但永遠不會燃爆。


2.1電解液


電解液存在兩個方向的問題,自身容易燃燒,又具有與正負極材料發生反應的傾向。


初中化學告訴我們,燃燒的三要素:可燃物(燃燒的物質),助燃物(氧氣)和燃點(達到可燃物的燃燒溫度)。三個條件缺一不可,阻斷其中之一,燃燒便不會發生。電池自身安全性,電池材料不可燃是安全隱患的終結者。


目前常見的電解液都是有機溶劑質地,是極易燃燒的材質。而電解液與正極發生副反應的產物,就包含氧氣。因此,電池一旦積聚了較多熱量,達到較高溫度,連鎖反應都會給電解液燃燒供應條件。


問題在于,電解液傳輸電荷的能力,對電池的電壓有直接的影響。當前人們關于高電壓,高能量密度的追求,只有有機電解液才能滿足,因而暫時沒有找到更適合的材質作為替代。


2.2正極材料


正極材料的安全性問題重要存在于兩個方面。一個是充電狀態下,材料結構的穩定性,另一個是電池高溫下,正極材料與電解液的反應腐蝕問題。


正極材料的穩定性問題,重要出現在過大電流充電過程中,與材料不匹配的鋰離子脫出速率會沖垮材料晶格結構,毀壞的部分材料反過來堵住離子通路,新增了離子嵌入難度。這個過程中會有熱量積累,是引發鋰離子電池事故的一種常見原因。


正極被電解液腐蝕,放出少量氣體和熱量,這是電池使用過程中老化的一個重要原因。但正極與電解液的劇烈反應,一般出現在電池溫度已高的階段,一般超過200℃,是熱量爆發式生成的重要力量。反應不但放出大量的熱,還會有氣體出現,使得事故的危害可能升級。


2.3負極材料


負極材料的安全性,重要圍繞其熱穩定性進行觀察,其穩定程度與下面三個因素有關:電解液中電解質的類型,石墨負極中嵌鋰碳含量的多少以及石墨負極使用的粘結劑的種類。


電解質類型,石墨負極在首次充電化成中,形成保護膜SEI膜。SEI膜的存在,阻止了石墨與電解液的進一步劇烈反應。但電解液中的LiPF6對SEI膜的分解有促進用途,使得鋰離子電池在大約60℃的儲存過程中,就可以出現分解并放熱。因此電解質的成分對負極穩定性有直接影響。


嵌鋰碳,有研究表明,負極中嵌鋰碳的含量高,會帶來負極與電解液更激烈的反應。嵌鋰碳是在充電過程中形成,電池電量越高,其嵌鋰碳的含量也就越高。嵌鋰碳的影響,只能在電量高的階段加強其他安全措施,卻無法防止高濃度嵌鋰碳的現象出現。


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