第8章 電池領域的創新信息(7)
- 國外能源領域創新信息
- 張明龍 張瓊妮
- 4956字
- 2017-09-13 15:48:18
復合金屬鋰陽極材料,由10%體積比的碳纖維和金屬鋰組成。碳纖維網絡具有良好的導電性,超高的機械強度和電化學穩定性,因此,作為金屬鋰的主體框架材料是絕佳選擇。與之前的相關研究相比,梁正等人將金屬鋰融化,并依據不同材料的浸潤性所提出的“親鋰”“疏鋰”概念,為金屬鋰電極研究提供了新思路,并且對其他領域的研究具有極高的借鑒作用。
該團隊這一研究成果發表后,受到業內的廣泛關注,多家媒體相繼對其進行追蹤報道,被認為是鋰電池研究領域的重大突破。現這項研究成果已申請美國發明專利。
3.研制鋰離子電池陽極材料的新發現
發現硅海綿可替代鋰離子電池內的石墨陽極材料。2012年7月,美國萊斯大學化學和生物分子工程學教授斯巴尼·比斯沃爾和科學家曼都瑞·薩克爾領導的一個研究小組,與洛克希德-馬丁公司研究人員合作,在《材料化學》雜志上發表論文說,他們找到一種方法,用硅海綿替代石墨作為可充電鋰離子電池內的元件,借此可研制出持續時間更長,且性能更強的電池,用于商用電子設備和電動汽車上。研究人員指出,借用他們研發的這一方法,能將比自身重4倍的物體存儲在鋰中。
硅是地球上最常見的元素之一,能替代石墨作為電池內的陽極材料。此前該研究小組就發現,多孔硅吸收鋰的能力是石墨的10倍多。這是因為硅吸收鋰離子后會延展,像海綿一樣的構造賦予了硅在電池內部生長的余地,同時也不會對電池的性能造成損害。2010年,該研究小組發現當硅海綿擁有1微米寬、12微米深的小孔時,能在電池領域大展拳腳,但當時的固體硅基座無法吸收鋰,仍然有待改進。
在最新研究中科學家發現,用來制造這些小孔的電化學蝕刻過程,能將海綿同基座分開,基座接著可以被重新使用,制造出更多海綿。研究人員稱,從一個標準的250微米厚的硅晶圓上,至少可以提取到4塊這樣的海綿。而其一旦被從硅晶圓上提取出來,上、下都是打開著的,通過將其浸入一個導電的聚合物黏結劑聚丙烯腈內,就可大大增強其導電性。
研究人員由此得到了一張堅硬的薄膜,它能依附到一個集電器上被放置于電池結構內,并最終借用這一過程制造出了一款鋰離子電池,其放電能力高達每克1260毫安時,這使其使用壽命更長。
研究人員在比較中發現,使用薄膜之前,電池的初始放電容量是每克757毫安時,但第二次充放電循環之后,放電容量就開始迅速下降,并在經過15次循環后完全消失殆盡;而經過處理的薄膜在4次循環后就即開始增加放電容量,多孔硅表現得特別明顯,經過20次循環后,電池的放電容量仍然完好無損。
目前,研究人員正在研究有望能大大增加充放電循環次數的技術,以便能研發出可持續使用幾年的電池。
(二)開發鋰離子電池其他配套材料的新成果
1.研制高質量鋰離子電池電解液的新成果
開發出可大幅縮短充電時間的鋰離子電池新型電解液。2014年4月30日,日本《產經新聞》網站報道,鋰離子電池性能優異,但充電時間長是一個難題。日本東京大學山田淳夫教授主持的一個研究小組,研發出一種新型鋰離子電池電解液,可將充電時間縮短2/3以上。
據報道,鋰離子電池的充放電過程是通過電解液中的鋰離子在正負極間移動實現的。新型電解液中的鋰離子濃度極高,是普通鋰離子電池的4倍多,鋰離子可在這種高濃度環境中高速移動,一次充電時間不到普通鋰離子電池的1/3。
因為電解液的耐電壓問題,通常鋰離子電池電壓被限制在4伏左右,而新型電解液可在5伏以上的電壓下穩定充電。研究人員認為,鋰離子電池的電壓還能大幅提高。山田淳夫說,這種技術雖然簡單,但有望提高鋰離子電池使用的便利性。
2.研制與改善鋰離子電池性能相關配套材料的新進展
(1)發現可大大縮短鋰離子電池充放電時間的新材料。2012年9月,美國倫斯勒理工學院納米材料專家尼基領導研究小組,在美國化學學會《ACS納米》雜志上發表研究成果稱,他們把世界上最薄的材料石墨烯制成一張紙,然后用激光或照相機閃光燈的閃光震擊,將其弄成千瘡百孔狀,致使該片材內部結構間隔擴大,以允許更多的電解質“潤濕”,以及鋰離子電池中的鋰離子獲得高速率通道的性能。這種石墨烯陽極材料、比通常的石墨陽極、在充電或放電速度方面要快上10倍,未來可驅動電動車。
可充電的鋰離子電池作為行業規格產品,用于手機、筆記本電腦和平板電腦、電動車等一系列設備中。鋰離子電池具有高能量密度,可以存儲大量的能量。但遭遇低功率密度時,則無法迅速接收或釋放能量。為了解決這個問題,該研究小組創建了一種新型電池,不僅可以容納大量能量,還能很快地接收和釋放能量。
研究人員說,鋰離子電池技術的主要障礙在于,有限的功率密度和無法快速接收或釋放大量的能量,而這種在結構設計上有“缺陷”的石墨烯紙電池可以幫助克服這些障礙。該成果一旦商業化,將對電動汽車、便攜式電子產品中新電池及電氣系統的發展帶來顯著影響。這種電池也可大大縮短手機和筆記本電腦等便攜式電子設備和響應器充電,所需要的時間。
新型電池的解決方案是,先創建一大張石墨烯氧化物紙,其厚度與一張日常打印紙相當,并可制作成任何尺寸或形狀,然后把石墨烯紙暴露在激光下和數碼相機閃光燈的閃光下。激光或閃光的熱量穿透紙面造成微小爆炸,石墨烯氧化物中的氧原子被驅逐出結構,石墨烯紙變得滿目瘡痍:無數裂縫、孔隙、空洞等瑕疵,逸出的氧氣形成的壓力也促使石墨烯紙擴大了5倍的厚度,由此,在單個石墨烯片中創建了很大的空隙。
研究人員發現,這種被損壞的單層石墨烯紙,可成為鋰離子電池的陽極。鋰離子使用這些裂縫和孔隙作為捷徑,在石墨烯中快速移進移出,極大提高了電池的整體功率密度。他們通過實驗證明,該陽極材料比傳統鋰離子電池中的陽極充電或放電速度快10倍,而不會導致其能量密度的顯著損失,甚至在超過1000個充電/放電周期后,仍能持續成功運行。另外重要的是,石墨烯薄片的高導電性,使得電子能夠在陽極進行高效傳輸。
研究人員說,這些石墨烯紙陽極很容易調整,可以制作成任意的大小和形狀,而且將其暴露于激光或照相機閃光燈的閃光下是一種簡單、廉價的復制過程。他們下一步將用高功率的陰極材料與石墨烯的陽極材料配對,以構建一個完整的電池。
(2)開發出提升鋰離子自充電電池性能的納米復合材料。2014年2月,美國佐治亞理工學院王中林教授領導,張巖博士和薛欣宇博士參與的一個研究小組,在《納米技術》上發表研究成果稱,他們在自充電電池的壓電材料里添加納米顆粒,形成納米復合材料,大幅提升了電池的充電效率和存儲容量。
王中林介紹說,它可以在不用插到墻上插座或其他電源的情況下,利用周圍環境中的機械形變和振動,在壓電效應下促使鋰離子從陰極向陽極遷移,直接為電池充電。
這種“自充電電池一步實現能量的產生和儲存”,在世界范圍內引起很大反響,它為開發新型便攜式移動電源以實現自供能系統,以及便攜式個人電子器件,提供了全新的方法。該成果把機械能轉化為電能,再將電能轉化為化學能的兩步過程,簡化為機械能直接轉化為化學能的一步過程,未來可能將會大大提高能源的利用效率。
自充電電池只有幾百微米厚,適合置于不銹鋼扣式電池內部。例如,將其放置于計算器的按鈕下方,通過按壓按鈕產生機械能,同時將機械轉化為化學能存儲在電池中。研究人員設想,該電池在不久的將來可以給各種小型便攜式電子設備(如移動電話和人體健康監測系統)提供電源。
有別于傳統電池只為了儲存能量的目的,自充電電池兼顧轉換和儲存能量的功能。在常規電池里,能量轉換(例如機械能轉換至電能)的第一步幾乎總是由一個單獨的設備執行。而自充電電池完全繞過轉換為電能的中間環節,從而導致轉化和儲存更為有效的過程。
在改變傳統的鋰離子電池為自充電電池的過程中,研究人員更換了通常用于在鋰離子電池中分隔兩個電極的聚乙烯分離器,當在外加應力下,用一種壓電材料產生電荷。這種材料2012年的版本采用的是聚偏二氟乙烯薄膜。新研究對聚偏二氟乙烯薄膜添加了鋯鈦酸鉛納米粒子,以形成納米復合材料。添加鋯鈦酸鉛后電池的性能顯著改進,即電池的工作效率提高,存儲容量是以前的2.5倍。
研究人員解釋說,這些改進是由于兩種機制發生作用:一是鋯鈦酸鉛誘發的幾何變形約束效應增加了壓電潛力;二是鋯鈦酸鉛具有的多孔性結構增大了納米復合材料孔隙數量,從而在一個小空隙間距內增加了鋰離子穿行時傳導路徑的數量。這兩種機制允許更多的鋰離子從陰極遷移到陽極,從而增加電荷的總量。
該技術上的改善,證明了納米復合薄膜能夠增強自充電電池的性能。研究人員說:“我們需要深刻認識兩個電極的充電電化學反應的確切進展,以提高自充電電池的性能。”
三、研發鋰離子電池的新技術和新工藝
(一)鋰離子電池研制過程出現的新技術
1.研發提高鋰離子電池儲能量和效率的新技術
(1)開發可使鋰離子電池大幅擴容的新技術。2006年10月,《日經產業新聞》日前報道,日立萬勝公司一個研究小組,最近開發出鋰離子電池制造新技術,利用硅氧化物、納米硅、碳等生成的新型材料,制作電池負極,使電池容量比目前使用石墨作負極的鋰離子電池增加2~5成。
硅具有價格低廉且對鋰離子的吸收率高等特點,適合制造大容量電池。但是,硅吸收鋰離子時的膨脹率也很高,用作電池負極易產生裂縫,進而縮短電池壽命。因此,硅材料制成的鋰離子電池負極一直沒能實用化。
據報道,日立萬勝公司采用新技術,讓納米硅散布于硅氧化物材料內部,形成“含納米硅化合物”,再混合這種“含納米硅化合物”和碳材料,形成“納米硅多孔質復合材料”。這種材料增加了納米硅之間的空間,解決了電池充電時納米硅的膨脹問題,使硅材料作電池負極變得可行。
研究人員說,這種新型電池的容量比使用石墨作負極的鋰離子電池大幅度增大了。但是,新型電池充電約300次后,就會出現明顯的充電容量下降。而目前利用石墨作負極的電池充電約500次后,充電容量才會明顯減少。日立萬勝公司計劃再次改良新材料,解決新型電池的充電壽命問題。
(2)研制鋰離子電池儲電量和充電率能同時大幅提高的新技術。2011年11月,美國西北大學哈羅德·孔等人組成的一個研究小組,在《先進能源材料》雜志上發表研究成果稱,他們研制出一種針對鋰離子電池的電極,允許電池保有比現有技術高10倍的電量,更可使帶有新電極的電池充電率提升10倍。
儲電量和充電率是兩個主要的電池局限。儲電量受限于電荷密度,即電池的兩極能容納多少鋰離子。充電率則受限于鋰離子從電解液到達負極的速度。
現有鋰電池的負極由碳基的石墨烯片層層堆積而成,一個鋰原子只能適配6個碳原子。為了增加儲電量,科學家曾嘗試利用硅代替碳,以使硅可以適配更多鋰,達到4個鋰原子對應1個硅原子。然而,硅會在充電過程中顯著擴展和縮小,從而引起充電容量的快速破裂和遺失。而石墨烯片的形狀也會制約電池的充電率,它們雖只有一個碳原子厚,但卻很長。由于鋰移動到石墨烯片中間需要耗費很長時間,離子“交通堵塞”的情況,在石墨烯片的邊緣時有發生。
現在,該研究小組結合兩種技術解決了上述問題。首先為了穩定硅以保持最大的充電容量,他們在石墨烯片之間加入硅簇,利用石墨烯片的彈性配合電池使用中硅原子數量的變化,使得大量鋰原子存儲于電極中。硅簇的添加可使能量密度更高,同時也能降低因硅擴展和縮小引發的充電容量損失,可謂兩全其美。
研究小組還利用化學氧化過程,在石墨烯片上制造了10~20納米的微孔,稱之為“面缺陷”,因此鋰離子將會沿此捷徑到達負極,并通過與硅發生反應,存儲在負極。這將使電池的充電時間縮短10倍。
哈羅德·孔表示,新技術能使鋰離子電池的充電壽命延長10倍,即使在充電150次后,電池能效仍是現有鋰離子電池的5倍。這一技術,有望在未來3~5年內進入市場。
2.研發提高鋰離子電池安全性的新技術
(1)探索鋰離子電池減少起火等安全隱患的新技術。2011年9月10日,英國廣播公司報道,該國利茲大學伊恩·沃德教授領導的一個研究小組,開發出一項新技術,使研制出的新型鋰離子電池性能與傳統鋰離子電池相當,卻減少了起火等安全隱患,且更為廉價的,有望廣泛用于筆記本電腦、手機等電子產品。
傳統的鋰電池使用液態電解質,并用一層聚合物薄膜隔開正負極,而在這種新型鋰電池中,兩者被結合在一起。研究人員設法把液體電解質和聚合物薄膜融合到一起,制作出一種類似果凍的膠狀物,電池的正負極連在這種膠狀物上。