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研究人員開發有機基固態電池正極材料 可使能量密度翻番

來源:蓋世汽車 瀏覽次數:423 發布日期:2021-06-25


現在只有2%的汽車實現了電動化。然而,預計到2030年這一比例將增長至30%。推動電動汽車商業化的關鍵在于使用更安全、易回收的材料,同時提高電池能量密度。

(圖片來源:休斯頓大學)

據外媒報道,休斯頓大學(University of Houston)卡倫工程學院教授Yan Yao、休斯頓大學博士后Jibo Zhang,與萊斯大學(Rice University)的研究人員共同迎接這一挑戰。研究團隊證明,通過溶劑輔助過程來改變電極微結構,可以將有機基固態鋰電池的能量密度提高至以前的兩倍。

通常情況下,電池的容量和電壓由正極決定。由于使用了鈷等稀有材料,正極成為電池中最為昂貴的部分。但是,因其具有優異的性能,固態電池中幾乎完全采用鈷基正極。最近,基于有機化合物的鋰電池(OBEM-Li)才成為一種更豐富、更清潔、更易于回收的替代品。

研究人員表示:“我們正在開發低成本、地殼儲量豐富、無鈷的有機基固態電池正極材料,這種電池將不再需要使用稀有過渡金屬。在這項工作中,我們展示了制造高能量密度鋰電池的可能性。我們使用從煉油廠或生物精煉廠獲得的有機材料,代替基于過渡金屬的正極。這些有機材料的產能都很豐富?!?/p>

鈷基正極可以產生800 Wh/kg的材料級比能。然而,由有機材料制成的OBEM-Li電池能量密度有限,研究團隊發現,這是因為之前OBEM-Li電池的正極微結構不理想,只能使用低質量分率的活性材料,從而影響總能量密度。

通過優化正極微結構,可以改善正極內的離子傳輸,從而提高OBEM-Li電池的能量密度??茖W家們為此使用了由芘-4,5,9,10-四酮(PTO)有機材料制成的正極,并以乙醇為溶劑來改變其微觀結構。Zhang表示:“鈷基正極通常很受歡迎,因其具有非常理想的微結構。然而,在有機基固態電池中,要形成理想的微結構,更具挑戰性?!?/p>

在電極層面上,因為顯著提高了活性材料的利用率,溶劑輔助微結構的能量密度可達到300 Wh/kg。相比之下,干混合微結構的能量密度略低于180 Wh/kg。以前雖然可以增加活性物質的數量,但利用率仍然很低,僅接近50%。通過此項研究,其利用率可提高至98%,能量密度也隨之提高。

研究人員表示:“PTO能夠氧化硫化物電解質。我們研究了正極-固體電解質界面的化學成分、空間分布和電化學可逆性,從中找到線索,以解釋電池為什么可以保持良好循環狀態,而不出現容量衰減?!睂τ谕苿痈沙掷m性電動汽車的發展,這項研究將起到重要作用。


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