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【终极盘点】2014年度锂电十大前沿技术大观

2014-12-25 05:30
来源: 锂电网

  5.日本东京大学开发出了新一代锂离子电池极“电解液”

  据日本媒体报道,以东京大学研究生院工学系研究科教授山田淳夫与助教山田裕贵为核心组成的研发小组,发现了锂离子电池可实现多种电解液的设计新方向。该研发小组开发出了极"浓电解液",决定充电速度的Li+浓度达到以往电解液的4倍以上。该研究颠覆了"电解液溶剂只能使用碳酸乙烯酯(EC)"这一锂离子电池诞生20多年来,技术人员一直深信不疑的定论。

  据报道,东京大学开发的高浓度电解液具备所有溶剂都与Li+进行配位的特殊构造。另外,Li+与阴离子连续结合的特点也不同于以碳酸乙烯酯(EC)为溶剂的普通低浓度电解液。普通电解液的Li+浓度为1mol/L左右,此时离子导电度最大。这种浓度必需使用EC溶剂。如果使用EC以外的溶剂,电极会严重劣化。因为对于石墨等层状负极,溶剂是在被Li+溶剂化的情况下进入(共合体)层间,电解液会继续发生还原分解。基于这种定论,Li+的高浓度化以及EC以外的溶剂的探讨变成了电池研究人员之间的盲点。

  山田等人的研发小组着眼于这一盲点,向此前基本没考虑过的电解液高浓度化发起了挑战。高浓度电解液的离子载体密度非常高,有助于提高界面反应频率,因此可实现时间不到以往1/3的快速充电。而且,选择的盐和溶剂的不同组合,还能表现出不同的特性。在对各种溶剂进行调查的过程中发现,除了通过提高浓度抑制共合体之外,很多溶剂还观测到了还原稳定化。无需使用之前必不可少的EC溶剂,在以前属于实用电解液讨论范围之外的乙醚系、亚砜系、砜系、腈系等多种有机溶剂中均发现石墨负极和锂金属负极会可逆动作。

  点评:相比于上节电极材料方面的飞跃式的进展,东京大学的极"浓电解液"表现稍微逊色,不过打破了锂离子电池诞生以来技术人员深信不疑的定论,从这一点上来说,入选今年锂电池十大技术进步就当之无愧了。大家要知道,找到合适的电极算是构建了供锂离子来回穿梭的楼层,而这种极浓电解液就是那个保证更多的锂离子们畅游无阻的船只。东京大学开发的高浓度电解液什么时候能走出实验室还是有待观察的,不过技术的进展总还是能给人带来鼓舞的。电极呀,电解液都是老生常谈的话题了,而在这些慢慢变老的话题里,竟然还有新发现。

  6.麻省理工宣布磷酸铁锂电池内部有新发现

  美国麻省理工学院的研究人员最近宣布对长循环寿命和高功率磷酸铁锂(LiFePO4)电池有了新的发现。

  麻省理工学院(MIT)的研究人员发现,磷酸铁锂电池电极内部在充电过程中,固溶体区(SSZ)是在富锂和贫锂之间的边界形成的,这一区域充电活动更集中,因为锂离子从电极中被释放出来。

  这一发现将帮助研究人员和制造商制造性能更好的电池,因为由此可以更好地理解电极材料动态过程并进一步优化。

  磷酸铁锂(LFP)电极充电或放电过程图。由于锂离子在充电过程中被分离,形成一个贫锂磷酸铁(FP)区域,但在两者之间有一个固溶体区域(SSZ,暗蓝绿色),这一区域包含有一些随机分布的锂原子,不同于锂原子的原始结晶材料(淡蓝色)中的有序数组。

  上述发现有助于解决有关磷酸铁锂电池的一个长期难题:在大块晶体形式下,磷酸铁锂和磷酸铁(FePO4是充电过程分离出来的)的离子导电性较差。然而,当进行掺杂和碳包覆优化,并在电池中使用纳米颗粒后,这种材料表现出非常高的充电速率。

  固溶体区类似一个"亚"状态,在室温下能够至少持续几分钟,取代LiFePO4和的FePO4之间的明锐界面,明锐界面已被证明含有许多额外线缺陷,被称为"错位",固溶体区就像一个缓冲区,减少"错位"数量,阻止其伴随电化学反应向前方移动。

  点评:今年随着新能源汽车的起飞,三元材料、磷酸铁锂电池也被炒得沸沸扬扬的,围绕这些技术路线展开的纷争不断,但是却鲜有新意,大多还是停留在前几年的技术进展里讨论。关注磷酸铁锂电池的朋友或许知道磷酸铁锂电池的导电性不好、电阻大等屡被三元材料的拥趸者嘲笑,不过MIT的研究人员新的发现有望解决这一难题,以此来提高磷酸铁锂和磷酸铁离子导电性,进而提高充电速率。充电速率提高了,相应的电池寿命会降低的更快,这已被业界看成难以调和的矛盾,不过就在今年夏普称研发出寿命可达70年的锂电池,小伙伴们你们惊呆了吗?

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