電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
近日，中國科學院深圳先進技術研究院集成所功能薄膜材料研究中心研究員唐永炳及其研究團隊聯合香港理工大學教授鄭子劍等人提出一種柔性界面設計策略，對高容量硅負極進行界面應力調控，并將其成功使用于新型硅-石墨雙離子電池，相關研究成果"FlexibleInterfaceDesignforStressRegulationofaSiliconAnodetowardHighlyStableDual-IonBatteries"已在線發表于國際材料期刊《先進材料》上（Adv.Mater.2020,1908470）。
硅負極具有高理論容量（4200mAhg-1），儲量豐富，是提高雙離子電池能量密度的理想負極材料。然而，硅負極嚴重的體積膨脹（>300%）問題制約了其在雙離子電池中的使用。雖然研究人員提出了納米化、多孔結構、復合結構等多種改性方案，但多數采用金屬材料作為集流體，硅負極與集流體之間的剛性界面接觸造成界面應力聚集，從而導致界面開裂甚至活性材料剝落，使得循環性能難以滿足實際使用要求。
基于此，唐永炳及其團隊成員蔣春磊、項磊、繆仕杰等人提出一種柔性界面設計策略，對界面應力進行有效調控。通過將硅負極構筑于柔性聚合物織物表面，并在二者之間設計具有良好導電性的界面緩沖層，從而顯著緩解界面應力聚集，材料經過50000次彎折后仍保持良好的結構完整性。團隊將其與膨脹石墨正極材料進行匹配，成功構筑出新型硅-石墨雙離子電池（SGDIB）；研究聲明：該雙離子電池具有高達150C（充電＜30秒）的超高倍率和長循環壽命，在10C倍率下循環2000次后的容量保持率高達97%。此外，這種柔性硅-石墨電池展現出優異的柔性和抗彎折能力，1500次彎折后容量保持率為——84%，在10000次彎折過程中的單次壓降僅為0.0015%，在高性能柔性儲能范疇展現出良好的使用前景。該研究同時為改善高容量合金化負極的循環穩定性提供了一種有效的處理策略。
該研究得到國家自然科學基金、廣東省科技計劃、深圳市科技計劃等資助。
（a）常規剛性界面硅負極的結構破壞示意圖；（b）柔性界面硅負極設計及制備流程及其（c）合金化/去合金化過程中的彈性界面的穩定機理示意圖。
新型鋁—石墨雙離子電池
此前，該院集成所功能薄膜材料研究中心成功開發出一種新型鋁—石墨雙離子電池，可大幅度提升的使用性能。
依據該研究中心的解析，這種新型AGDIB電池采用廉價且易得的石墨替代傳統鋰電中高成本且含重金屬的過渡金屬氧化物或磷酸鐵鋰作為電池正極材料；采用鋁箔同時作為電池負極材料和負極集流體；以常規鋰鹽和碳酸脂溶劑為電解液。該電池工作原理有別于傳統鋰電池，充電過程中，正極石墨發生陰離子插層反應，而鋁負極發生鋁-鋰合金化反應，放電過程則相反。這種新型反應機理不僅顯著提高了電池的工作電壓（3.8-4.6V），同時大幅降低電池的質量、體積、及制造成本，從而全面提升了全電池的能量密度。
該研究中心對外宣稱，初步估算該類型電池的全電池質量能量密度和體積能量密度將高達約222Wh/kg。500Kg重量的AGDIB電池的續航里程可達到約550公里。與傳統的鋰電技術相比，這種電池具有分明的優點，不僅加工成本降低約40-50%，同時能量密度提高至少1.3-2.0倍。若這種鋁-石墨電池成功實現產業化，將大幅提升現有便攜式電子設備，電動車，以及新能源儲能系統的使用性能。不過，目前該電池技術還有待優化，比如需要進一步提高電池的循環穩定性等。
五種電池新技術
1.硅基電池
鋰電池傳統上使用石墨陽極，但研究人員和公司今朝專注于硅陽極。Si主導陽極可以比石墨離子結合鋰離子25倍。然而，這些電池具有低導電率，慢擴散速率和鋰化期間的大體積波動。這些限制導致Si粉碎和固體電解質中間相（SEI）的不穩定性。
已經采用兩種主要策略來規避這些挑戰：納米技術和碳涂層。在前一種辦法中，使用各種納米尺寸的Si陽極，與體硅陽極相比，它具有高表面積，改善的循環壽命和速率穩定性。它們還可以承受鋰化和脫鋰而不會開裂。碳涂層使用納米Si與不同形式的碳材料的組合來生成高性能Si/C納米復合陽極。最近，具有雜原子作為涂層劑的摻雜碳引起了很多關注。雜原子摻雜的Si-C電極比碳原子更強地結合Li離子，導致具有穩定導電性的優異電化學性能。
由于Si基電池具有低成本和加強的汽車和智能手機功能的潛力，因此萌生了許多商業利益。競爭非常猛烈，許多創業公司，包括SilaNanotechnologies，Enovix，AngstronMaterials和Enevate，都將Si主導的鋰電池商業化。
2.室溫鈉硫（RT-NaS）電池
由于Na和Li離子的物理和化學性質相近，鋰硫電池最有前途的替代品之一是鈉硫電池。但是，電池工作需要高溫（>300°C）。作為一種有前景的替代方案，低成本RT-NaS電池系統已經萌生了廣泛的研究興致，可用于大規模電網使用，具有更高的安全性。然而，由于電池內的復雜反應，RT-NaS電池的理論容量較低。
在2018年已經使用各種辦法來處理RT-NaS電池的問題。
·由Sadoway博士領導的麻省理工學院的一組研究人員專注于膜，以處理RT-NaS陽極和陰極組件之間β氧化鋁陶瓷電解質膜的脆性和易碎性問題。他們證明，涂有氮化鈦溶液的鋼網作為工業規模儲存系統的更強和更靈活的材料。該辦法為電池設計開辟了新的途徑，因為它也可以使用于其他熔融電極電池化學品。
可充電電池的新辦法。RT-NaS電池，帶金屬網膜
·澳大利亞臥龍崗大學的研究人員專注于電極設計。他們建立了一個有效的硫陰極，原子鈷錨定在空心碳納米球的微孔中。合成的陰極表現出優異的電化學性能。
用鈷納米顆粒修飾的中空碳的合成示意圖
·發表在最近的研究“自然”，科學家們使用一個多功能的碳酸鹽電解質與高電化學性能和更高的安全性。該辦法可以使用于各種Na基可充電電池系統，以推進低成本和高性能的能量存儲裝置。
PC電解質中常規1MNaTFSI和（右）PC中的2MNaTFSI電解質的示意圖：具有10mMIn
雖然RT-NaS電池仍處于早期開發階段，但由Ambard博士（Sadoway博士領導的麻省理工學院衍生公司）等公司正致力于改善電池設計。通過上面討論的繼續研究工作和辦法，下一代基于NaS的儲能技術很快就會成為實際。
3.質子電池
許多研究工作致力于加工高性能質子交換膜（PEM）燃料電池。然而，PEM燃料電池的可行性由于其高成本，氫氣的運輸和儲存而成為挑戰。
RMIT大學的一組研究人員最近首次報道了質子電池的技術可行性。它由兩部分組成：用于儲存水中氫或質子的碳電極和用于從氫發電的可逆PEM燃料電池。電池設計是創新的，因為它使用活性炭作為電極，其便宜，豐富且結構穩定以用于儲氫，并且多孔材料內的少量液體酸將質子傳導到可逆電池的膜和從可逆電池的膜傳導質子。使用這種電池，可以實現1.8V的電壓。
雖然這是高效氫動力能源加工的緊要一步，但這項技術的商業化還有很長的路要走。該團隊估計電池的可用性將在五到十年內。ABBMarine和SintefOcean還在探測一個兆瓦級的推進裝置，為使用氫燃料電池的商用和客船提供動力。由于這些電池根本不需要鋰離子，除了使用鉑作為催化劑之外，其余材料便宜且豐富，因此可能成為目前鋰電池的主要競爭者。
4.石墨雙離子電池
近年來，使用鋰以外的金屬的雙離子電池（DIB）引起了人們對大規模固定電力存儲的興致。研究工作是通過增加電解質的離子含量和電極儲存電荷的能力來增加DIB的能量密度。
·研究人員展示了一種使用石墨陰極和鉀陽極的新型無鋰石墨雙離子電池，稱為石墨雙離子電池（GDIB）。研究小組確定了DIB的無鋰電極-電解質組合，以增加細胞的能量密度。他們使用濃縮電解質溶液，證明能效與鋰電池相當。
·使用鋁鹽電解質，研究團隊首次開發出石墨-石墨雙離子電池（GGDIB）。該電池價格低廉，環保，并且具有出色的循環和速率性能，適用于將來的儲能使用。
·在另一種有希望的DIB辦法中，華南理工大學的研究人員報告了Zn/石墨雙離子電池的開發。由于離子電解質具有許多吸引人的特性，包括抑制Zn表面上的枝晶形成，低揮發性，不燃性和高熱穩定性，用于工業使用的高性能和安全的Zn/石墨離子電池很快就會成為實際。
5.鋁離子電池
鋁正在被研究作為鋰電池的潛在替代品，其中蘊含豐富，廉價，易得和廉價的鋁。來自蘇黎世聯邦理工學院的瑞士研究人員提出了兩項新技術，這些技術是鋁基電池商業化的墊腳石。
·第一種是耐腐蝕涂層材料，氮化鈦（TiN）陶瓷，用于這些電池。TiN涂層材料的優異氧化穩定性使這些電池能夠獲得高能量密度，高庫侖效率和高循環能力。由于TiN集電器具有優異的耐腐蝕性，它們甚至可以用作Mg，Na或Li離子電池中的高壓陰極材料。
·另一個有希望的處理方案是使用作為鋁離子電池的高性能陰極材料。這些電池通常使用基于石墨的陰極，其由于氯鋁酸鹽陰離子而變形。研究人員使用定制電池探測聚芘及其衍生物聚（硝基芘-共聚芘）作為陰極材料，發現其儲存的能量與石墨陰極相同。此外，聚芘還為開發可充電鋁離子電池提供了許多其他可能性，包括低成本，高豐度，加工可擴展性以及成分和結構可調性。
用聚芘陰極和氯鋁酸鹽離子液體充電期間可充電鋁電池的工作原理示意圖
這些研究成果顯示出將鋁離子電池商業化的巨大潛力，可用作該行業的廉價存儲處理方案。
聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除
