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陈根:锂电池在低温下成功运行,推动电池技术进一步发展

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   文/陈根

  现阶段,锂离子电池已经成为电动汽车最重要的动力源,其发展经历了三代技术的发展,其中,钴酸锂正极为第一代,锰酸锂和磷酸铁锂为第二代,三元技术则为第三代。

  随着正负极材料向着更高克容量的方向发展和安全性技术的日渐成熟、完善,更高能量密度的电芯技术正在从实验室走向产业化,应用到更多场景里。

  事实上,锂金属电池之所以被寄予厚望,是因为与当前普通的石墨/铜混合材料相比,纯锂金属阳极具有出色的能量密度。凭借着高能量密度、高安全性的优势,锂离子电池在短短的十几年的时间里,已经彻底占领了消费电子市场,取得了瞩目的成就。


  作为在循环过程中于电池两极间来回携带锂离子的溶液,电解质在一块电池中的重要性不言而喻。通常情况下,低温电池需要额外的加热系统。

  但现在,加州大学圣迭戈(UCSD)研究团队正在开发的这种锂金属电池,却有望在极端低温下进行高效的充放电。研究人员的目的正是开发出一种不会冻结的电解液,并且能够在低温下保持锂离子在电极之间的流动性

  事实上,到目前为止,许多研究都集中在选择不易冻结的电解质,并能保持锂离子在电极之间快速移动。在这项研究中,研究人员发现,不一定是电解液移动离子的速度有多快,而是电解液释放离子并将其沉积在阳极上的容易程度

  研究人员通过比较两种电解质的电池性能得出了这些发现:一种与锂离子结合较弱,另一种与锂离子结合较强。含弱结合电解质的锂金属电池在-60摄氏度时整体表现较好,50次循环后仍能保持强劲运行。相反,具有强结合电解质的电池在仅仅两个周期后就停止工作。

  循环电池后,研究人员将它们分开,比较阳极上的锂金属沉积物。两者的区别也很明显。在弱结合电解质的细胞中,沉积物光滑均匀,而在强结合电解质的细胞中,沉积物呈块状和针状。

  在测试中,实验结果显示,电池在-40摄氏度和-60摄氏度的温度下,分别在50次循环中保持了84%和76%的容量。研究人员表示,这样的表现是前所未有的。

  针对此类概念验证电池的进一步研究表明,弱结合电解质能够让离子更均匀地沉积在电池阳极上,而强结合电解质则会导致块状和针状的沉积(枝晶)。而枝晶是改善锂电池性能的另一个重要攻关方向,因其可能导致电池发生短路失效等严重故障。

  当前,社会已经步入新能源时代,在新能源时代里,电气化是一个必然的趋势,锂离子电池主导的世界也正在为其他即将商业化的新兴电池技术打开重要的新市场机遇。而突破性地电池技术也将在未来的能源系统中发挥核心作用,把人类向远方推去。

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