增加鋰電池能量密度的新技術

出處 ScienceDaily 作者 N/A 年份 2017/01/06
報告類型 能源新聞 分類 能源新聞 資料時間 2016年10月
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哥倫比亞工程材料科學與工程助理教授Yuan Yang開發了一種提高鋰離子電池能量密度的新方法。他已經建立了一種三層結構,即使在環境空氣中也是穩定的,使得電池可以更持久和更便宜。這項工作可以將鋰電池的能量密度提高10-30%。

    Yuan Yang表示:當一般鋰電池第一次充電時,會在第一個循環中損失了5-20%的能量,通過新設計,已經能夠收回這種損失,這項技術有很大的潛力,可增加攜帶式電子設備和電動汽車電池的操作時間。

    在鋰電池完成製造後的第一次充電期間,一部分液體電解質被還原成固相並被塗覆到電池的負極上。這個過程通常在電池從工廠運出之前完成,是不可逆的,並且降低了存儲在電池中的能量。
對於現有技術的負極,損失約為10%,但是對於具有高容量的下一代負極(如:矽),可以達到高達20-30%,因為這些材料具有大體積膨脹和高的表面積特性。
初始損耗過大會降低電池中可使用的容量,因此損害了這些奈米結構電極的能量密度和循環壽命的增益。

    補償這種損失的傳統方法是在電極中加入某些富鋰材料(lithium-rich materials)。然而,這些材料中的大多數在環境空氣中不穩定。
在完全沒有水分的乾燥空氣中進行製造電池過程,較在一般環境空氣中製造電池昂貴得多。Yuan Yang開發了一種新型三層電極結構,以利在一般環境空氣中製造鋰化電池陽極。在這些電極中,他用一層聚合物-聚酸甲酯(Polymethylmethacrylate, PMMA)保護鋰,以防止鋰與空氣和水分反應,然後用諸如人造石墨或矽奈米顆粒的活性材料塗覆PMMA。然後將PMMA層溶解在電池電解質中,從而將鋰暴露於電極材料。
    Yang解釋說:這樣我們能夠避免不穩定鋰和鋰化電極之間的任何空氣接觸,因此三層結構的電極可以在一般環境空氣中操作,得以大規模生產鋰化電池電極。

    Yang的方法將現有石墨電極的損耗能力從8%降低到0.3%,在矽電極中將損耗能力從13%降低到-15%。-15%的數字表明存在比所需更多的鋰,並且這些額外的鋰可用於進一步增強電池的循環壽命,因為過量可補償隨後循環中的容量損失。由於鋰離子電池的能量密度或容量在過去25年中一直在每年增長5-7%,Yang的結果顯示一個可能提高鋰離子電池的容量的解決方案來。他的團隊現在嘗試減少聚合物塗層的厚度,以減小鋰電池整體體積。(黃揮文)

來源:Columbia University School of Engineering and Applied Science