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双离子电瓶有极大希望减轻电动轿车的续航难题

发布时间:2019-12-13 15:43编辑:技术文章浏览(102)

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    2012-09-14作者:综合来源:中国能源报

    近年来电动汽车已不仅仅是一个概念,而是在逐步走进人们的生活。不过相比传统燃油汽车火热受捧的局面,电动车却是门可罗雀,与前者形成强烈反差,症结就在于电池的寿命、续航里程依旧让人头疼。

    不过科技在进步,创新时刻在发生。最近有研究人员宣布,锂空气电池的稳定性获得突破。如果新技术能投入商用,那么未来电动汽车将有望拥有与传统燃油汽车相同甚至更强的续航能力,电动车不受待见的命运或将由此逆转。

    锂空气电池寻求突破

    多年来,研究人员一直希望能用锂空气电池代替传统的锂离子电池,因为前者拥有更强的蓄电能力,比性能最好的锂离子电池都要高出10倍以上,可提供与汽油同等的能量。锂空气电池从空气中吸收氧气充电,因此这种电池可以更小、更轻。

    锂空气电池虽然具有广阔的应用前景,但由于内部结构的不稳定性,难以找到可用的电解液和电极材料,在几次充放电之后就会解体,这让锂空气电池迟迟无法进入消费市场。

    锂空气电池在放电时,阳极的锂释放电子后成为锂阳离子,锂阳离子穿过电解质材料,在阴极与氧气以及从外电路流过来的电子结合生成氧化锂或者过氧化锂,并留在阴极,充电过程则相反。整个充放电循环要求有稳定的电极与电解质环境。但是在之前的研究中,人们始终无法维持这两者的稳定性,被当做阴极的碳棒会与电解质产生各种意料之外的副反应,从而导致碳棒逐渐解体,几次充放电循环过后,一块锂空气电池就彻底无法使用了。这使得科学家们不得不在研究中另辟蹊径。

    以黄金作电极

    近日,来自苏格兰圣安德鲁斯大学的研究人员为锂空气电池的突破带来喜讯,其解决方法就是金子。他们的研究成果已发表在《科学》上。

    由彼得·布鲁斯领导的研究人员制造出了一种使用DMSO作为电解液,并用多孔的黄金作为电极的锂空气电池实验模型,这种实验电池在充放电100次以后,其电池容量仍能保持最初的95%gesep全球节能环保网。

    研究团队将传统的碳阴极换成了惰性的纳米级金阴极,其稳定性要远高于碳棒;他们还将之前由聚碳酸酯(polycarbonates)或聚醚(polyethers)制作的电解液,换成了一种名叫二甲基亚砜的导电溶液,这种溶液不那么容易在阴极发生反应。事实证明他们成功了,新的“纳米金-二甲基亚砜”组合的稳定性要远远超出原有组合。

    “锂离子电池的储能密度很高,从这点来看它是我们的最佳选择。它已经逐渐渗透到我们的生活,包括在电动汽车上的应用。”布鲁斯说,“我们也发现,现在汽车电池的储电量至少再扩充一倍才能真正满足行驶的要求。这一点传统锂离子电池无法企及,所以我们才将目光投向了锂空气电池。”

    此外Li-S电池也是研究的热点,S的理论比容可达1672mAh/g,理论比能量达到2600Wh/kg,虽然逊色于Li-O2电池,但也要远远高于锂离子电池。目前Li-S电池存在的主要问题是,S的导电性差,接近绝缘体,体积膨胀大,S正极的嵌锂产物会溶解在电解液里,在正负极之间穿梭,导致容量快速衰降,循环和储存性能差。目前锂离子电池上常用的酯类电解液由于存在较多的副反应而无法在Li-S电池上应用,所以Li-S电池一般采用醚类电解液,导致电池的高温性能很差。为了克服上述问题,研究者分分采用S纳米化、表面包覆改性和全新的固态电解质等方法克服,目前Li-S电池的研究已经取得了许多重要的进展,因此Li-S电池也是最有希望在短期内取代锂离子电池的高比能储能体系。

    锂空气电池在放电时,阳极的锂释放电子后成为锂阳离子( Li ), Li 穿过电解质材料,在阴极与氧气、以及从外电路流过来的电子结合生成氧化锂( Li2O )或者过氧化锂( Li2O2 ),并留在阴极,充电过程则相反。整个充放电循环要求有稳定的电极与电解质环境。但是在之前的研究中,人们始终无法维持这两者的稳定性,被当做阴极的碳棒会与电解质产生各种意料之外的副反应,从而导致碳棒逐渐解体,几次充放电循环过后,一块锂空气电池就彻底无法使用了。

    锂空气电池让续航里程不再头疼

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    英国圣安德鲁斯大学的化学家们改变了这一现状,由彼得·布鲁斯(Peter Bruce)领导的研究团队选择将之前 “捣乱”的两个因素都替换掉。他们将传统的碳阴极换成了惰性的纳米级金阴极,其稳定性要远高于碳棒;并且,他们还将之前由聚碳酸酯(polycarbonates)或聚醚(polyethers)制作的电解液,换成了一种名叫二甲基亚砜(DMSO)的导电溶液,这种溶液不那么容易在阴极发生反应。事实证明他们成功了,新的 “纳米金 - 二甲基亚砜” 组合的稳定性要远远超出原有组合。研究团队告诉《科学》杂志:新的锂空气电池在进行了 100 次充放电之后,仅仅损失了 5% 的电量上限。

    新能源汽车网讯 锂离子电池比能量高,循环性能好,在消费电子领域取得了巨大的成功,但是锂离子电池也是高成本的代名词,特别是在电动汽车这种对锂离子电池有着巨大需求的领域,对锂离子电池的成本将更加敏感。但是受限于原材料价格高企,特别是碳酸锂、Co和Ni等原材料在近期都有较大幅度的价格上涨,锂离子电池目前的成本降低的空间有限。

    编译自: Science,An Electric Car That Actually Goes Far?
    文章图片: gas2.org;Science

    储能领域从来都不缺乏搅局者,最近几年新兴的双离子电池就是其中之一。与锂离子电池的正负极之间只有Li 在参加反应不同,双离子电池的充电的过程中,阴离子在电场的作用下向阳极迁移,嵌入到阳极结构之中,阳离子向阴极迁移,嵌入到阴极之中,放电的过程则与之相反,阳极和阴极中的离子脱出,回到电解液中,恢复电解液的浓度。目前双离子电池使用的正极材料主要是石墨材料,其实阴离子能够嵌入到石墨结构中早在1938就由Ru?dorff和Hofmann发现,但是由于阴离子的嵌入电势较高,因此早期的双离子电池的电解液使用高浓度的酸溶液作为电解液,这会带来很大的安全隐患。直到90年代,随着锂离子电池的商业化应用,人们发现如果将锂离子电池的正极替换为能够嵌入阴离子的石墨类材料,可以获得较高电压的双离子电池。随后的几十年人们开始对双离子电池展开了深入的研究,特别是对阴离子嵌入到石墨结构中的机理进行了深入的研究「1」。

    新型锂空气电池在充放电 100 次之后仍然表现出色,这对于电动汽车行业来说是一个好兆头。(图片:[汽车]Tony Hisgett/ Wikimedia; [图表]Adapted from Z. Peng et al., Science)

    为了降低单位Wh的成本,人们开发了多种高能量密度的蓄电池,例如Li-O2电池,理论比能量可达3600Wh/kg(2Li O2 2e-=Li2O2,2.96V vs Li/Li ),远高于锂离子电池,并且具有环境友好等特点。为了进一步降低成本,人们还以Na,Zn等替代金属Li,开发Na-O2和Zn-O2电池,目前这些技术还都处在基础技术研发阶段,目前主要研究主要集中在金属-电解液界面研究和放电产物研究等方面,其中Li-O2电池开发难度较小,研究比较充分,有希望能在短期内进行应用。

    双离子电瓶有极大希望减轻电动轿车的续航难题【澳门威斯尼人app】。多少年来,研究人员一直希望能用锂空气电池代替传统的锂离子电池,因为锂空气电池的蓄电能力比性能最好的锂离子电池都要高出 10 倍以上。但是,由于锂空气电池内部结构的不稳定性,它在几次充放电之后就会解体,这让锂空气电池迟迟无法进入消费市场。最近,终于有研究人员宣布制造出了第一块具有高度稳定性的锂空气电池,如果这种新技术能够投入商用,那么未来的电动汽车将会拥有与传统燃油汽车相同、甚至更强的续航能力,人们再也不用开一二百公里就停下来充电了。

    下图是一些常见的应用在双离子电池的电解液和它们在不同的石墨材料中的嵌入电势「2」,从这张表上我们可以注意到,常见的PF6 酯类电解液在双离子电池中,PF6嵌入到石墨结构中的电势都达到5V以上,这也导致了一个严峻的问题——高电压导致的电解液不稳定,从而使得电池在循环中库伦效率持续下降,循环性能较差。近年来随着离子液体技术的不断发展,离子液体的高热稳定性,低粘度和宽电化学窗口,让我们看到了双离子电池的希望。

    “这结果非常鼓舞人心,它意味着锂空气电池的前景并不是毫无希望的。”加拿大滑铁卢大学的化学家琳达·纳扎尔(Linda Nazar)说。不过,纳扎尔和其他科学家也表示,新型锂空气电池还没有办法迅速投入商业化使用。对于创业者来说,纳米级黄金材料显得太过昂贵,而且作为电解液的二甲基亚砜也有可能与阳极的锂发生反应,导致电解质分解。所以,革命尚未成功,同志仍需努力。

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    关键词: 锂离子电池 新能 电动汽车 里程