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特斯拉加拿大研发中心制无阳极锂电池 90次循环后保持80%容量

据外媒报道,虽然锂离子电池仍有改进的空间,但业内大多数人认为固态电池将成为下一代首选电池。而如今,特斯拉的电池研究伙伴公布了一种让锂离子电池获得更高能量密度的方法,可让大家不再将研究重点只专注于固态电池。

加拿大戴尔豪斯大学(Dalhousie University)一个由Jeff Dahn教授领导的小组,与特斯拉加拿大研发中心的同事,以及加拿大滑铁卢大学(University of Waterloo)合作,展示了使用双盐电解质(氟代碳酸乙烯酯(FEC):碳酸乙烯酯(DEC)溶液中含有1M二氟草酸硼酸锂LiDFOB和0.2M四氟硼酸锂LiBF4)制成的无阳极锂金属电池。研究人员表示,他们的研究结果可能会将人们的研究重点从固态电池(SSB)转移到可充电、高能量密度电池上。

用锂金属代替传统的石墨阳极是提高锂离子电池能量密度最流行的方法之一,可以将电池的能量密度提升40%至50%。但是,只有锂金属阳极超厚时,才能显著增加能量密度,但是实际中根本无法采用非常厚的阳极,因此研究人员表示需要将锂金属阳极的厚度限制在50微米。限制锂过量是一个巨大的挑战,因为其金属锂表面极易形成枝晶,会增加阳极与电解质的反应活性,隔离金属锂,导致电池循环效率低下。而在无阳极的电池中,此类循环效率低下的表现会尤为明显,因为此类电池直接采用裸铜阳极构建,在第一次充电循环时,锂会直接在阴极沉积。由于电池中没有过多的锂,电池体积得以最小化,能量密度得以最大化,但是性能可能会非常差,因为在循环中没有存储的锂来持续为电池补充能量。

为了提高液体电解质的循环稳定性,人们采取了许多不同的方法,如高盐浓度电解质、醚类溶剂、氟化化合物、电解质添加剂、阳极表面涂层和外部压力等。此外,还有一种方法是采用固体电解质,但是固体电解质并没有成功地完全消除锂枝晶问题,而且目前尚不清楚该技术是否与现有的锂离子电池生产设备兼容,而目前在锂离子电池生产设备上的投资已达数十亿美元。但是,如果使用液体电解质就可生产安全、长寿命的锂金属电池,那现有的生产设备就可以快速实现高能量密度电池的商业化。

在此次研究中,研究人员采用了LiDFOB和LiBF4制成的电解质,让现有的无阳极电池的循环寿命达到了最长,90次循环之后,仍可保持80%的容量。由于该锂金属阳极由包装紧密直径为50微米的锂组成,即使50次循环之后,也不会生长枝晶。此外,与单盐电解质复合物相比,双盐电解质复合物在不同的电压下表现更好,而且不太依赖外部压力,就可实现良好的循环性能。

在新电池中,锂离子会从电池阴极中提取出来,在初次充电时,锂离子以金属锂的形式沉积到集电器上(Cu)。在放电过程中,锂离子从集电器剥离,直接进入阴极。

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