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一帖看尽 2017年各大院校“电池技术”研发动态
2018月02月08日 发布 分类:技术前沿 点击量:732
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随着世界经济的快速发展,能源与环境已经成为人类发展和生存的重大问题。内燃机汽车使用的燃料(石油资源)皆为一次性能源,开发使用后便不可再生。随着全球能源消耗的日益突出,石油储量越来越少,汽车燃料品质及数量将越来越难以保证。

拙劣的油品将带来更加糟糕的汽车尾气排放,据公开数据显示在世界各地的大、中城市,大气污染物中约40-70%来自于内燃机汽车尾气排放。作为破坏环境的最大杀手,内燃机汽车尾气让不少政府头疼不已。在政策的支持及能源环境的逼迫下,各国的新能源车的研究工作均在火爆的进行中,以电动力为驱动的新能源汽车的研究工作更是百家争鸣

汽车动力电池

下文为过去的2017年各院校的电池技术研究动态大回顾。

1、美国德克萨斯大学达拉斯分校与韩国首尔国立大学

研究关键词:锰基钠离子更低成本锂电池材料

美国德克萨斯大学达拉斯分校与韩国首尔国立大学共同研发出一款全新电池,其采用锰基钠离子材料。该材料或将降低电池成本,且生态环保性更佳,所制成的电池可供电动车使用。他们采用钠取代了阳极内占比最大的材料——锂,并用锰取代价格更为昂贵、储量更为稀缺的钴和镍。

该研究团队采用了合理的原材料配比并攻克了上述技术难题。他们先采用了计算机模拟,进而测定了电池达到最佳性能时各原子的配置,然后在实验室内进行了大量的材料测试直至研发成功。


2、麻省理工学院

研究关键词:表面光滑的固态电解质可有效防止锂渗透

麻省理工大学的研究人员与德国的同行们共同提出,若采用表面光滑的固态电解质,可防止有害的锂渗透(Li infiltration)现象出现,进而提升固态锂离子电池的性能。据新分析表明,表面的光滑度才是该问题的关键所在,电解质表面的细微裂纹及划痕将导致金属物的积聚。

在发生电化学反应后,来自电解质的锂(离子)将开始积聚到其表面细微瑕疵(包括:细微的凹点、裂痕、划痕)处。一旦锂离子开始在瑕疵处形成积聚,这一情况将会持续下去。

这表明研究人员需要将研究重心放在提升固态电解质表面的光滑度,这样或将消除或极大地减少电池固态电解质树突的生成数量。为避免产生易燃问题,或许未来还会采用固态锂金属电极。此外,该举措或将使锂离子电池的能量密度翻番。

3、东京工业大学

研究关键词:锡硅替代锗固态电解质,降低固态锂电池的成本

东京工业大学的研究人员研发了一项新技术方案--无锗固态电解质,可降低固态锂电池的成本,并致力于将该项技术应用到电动车、通信及其他行业中。

该研究团队在在美国化学会期刊——《材料化学》上发表了论文,其技术方案为:采用锡与硅替代固态电解质内的锗元素,因为上述两项材料的化学稳定性更强。相较于液态电解质,新材料提升了锂离子的导电率。在谈论其研究成果时,与他的同事表示:这款固态电解质不含锗,未来或许所有固态电池都会采用该电解质。

配有固态电解质的全固态电池系统有望角逐新一代电池。据估计,该类电池所能提供的电量大、能源密度高、性能稳定、安全性能也有所提高。硫化物基锂离子导体的导电性高、电化学窗口及机械性能也不错。为此,目前许多机构都在大力研发固态电解质。

4美国莱斯大学

研究关键词:石墨烯+碳纳米管解决电池树突问题

莱斯大学的研究人员们宣布了一种新型锂基可充电电池原型,其容量可达到当前锂离子电池的三倍。据了解,该技术有望解决掉目前严重影响电池寿命,甚至可以解决造成电池短路起火爆炸危险的树突问题,所以,这项技术有望成为锂金属电池中的一项新进展。

关于锂电池树突问题:随着使用时间的增加,充电电池内的电极会长出微小的树枝状细丝,称为树突或枝晶,这会造成短路报废电池,甚至点着起火。许多金属电池,包括锂电池所面临的这个树突问题就目前而言无法得到彻底的解决。

莱斯大学的研究人员们想出的解决该问题的方案是:采用碳与石墨烯纳米管组成的独特阳极,运用该技术,以及包覆了一层碳的锂金属电池,能够避免树突在阳极上的大量蔓延。经过这样处理的新型锂基可充电电池原型每克可存储 3351 mAh 的能量,相较于目前的技术来说确实是一个很大的进步

5肯塔基大学与中国研究团队

研究关键词:非黏合性硅基氧化物/碳复合物及微型SiOx/C芯壳(core–shell)复合物缓解阳极材质膨胀。

由于硅的能量密度较高,因此其成为了一款极具吸引力的锂离子电池阳极材料。然而,在充电周期内,当电芯里的硅在与锂交互时,其膨胀收缩可达300%。而随着时间的推移,它会明显降低电池的性能、短路、并最终导致电池报废。为改进上述缺点并大体维持电池的能量密度,目前采用一氧化硅(SiOx, x ≈ 1)来制作锂离子电池的阳极。

美国团队的研究成果:非黏合性硅基氧化物/碳复合物

肯塔基大学研究团队将硅基氧化物颗粒物与硫酸盐木质素混合后,合成了一种高性能的非黏合性硅基氧化物/碳复合物,用于制作锂离子电池的电极。经热处理后,木质素形成一种导电体,可容纳大量的硅基氧化物颗粒,确保电子导电率、连接性、适应锂化/脱锂反应期间的体积变动。该材质无需采用常规的粘合剂或导电剂。

该复合材质制作的电极的性能表现极为出色。相较于体积变化率相对较小的硅基氧化物电极(160%)而言,其机械电化学性能较为出色,木质素碳素矩阵的弹性较大,可适应体积变动

中国团队的研究的成果:微型SiOx/C芯壳(core–shell)复合物

中国研究团队制备微型SiOx/C芯壳(core-shell)复合物。将柠檬酸与经球磨而制的硅基氧化物相混合使其碳化,随后就获得了一款质地均匀的SiOx/C芯壳复合物-SiOx微芯与柠檬酸碳壳。

碳壳大幅提升了硅基氧化物的电导率,缓和了适应锂化/脱锂反应期间的体积变化。采用SiOx/C复合物制作的电极,其可逆比容量为1296.3 mAh/g,库伦效率高达99.8%,充放电200次后,容量保持率在65.1%843.5 mAh/g)。据该研究团队透露,该复合物的放电效能极为出色,该方法可实现批量生产,具有成本效益,可大批量生产由SiOx/C复合物制作的高性能阳极材料。

6美国德雷塞尔大学(Drexel University)与中国团队

研究关键词:MXene电极实现快速充电及更大电池容量

美国德雷塞尔大学(Drexel University)的材料科学与工程学专业的研究员们与法国、以色列研究人员共同设计了新款锂电池电极,或许未来电动车的充电耗时只需短短数秒。

新款锂电池的电极采用了一款名为MXene的二维材料,其导电性高。研究员Gogotsi在一份声明中宣称:我们抽取了薄薄的一层MXene电极,用于演示充电速率,整个充电过程只需数十毫秒。这主要得益于MXene材质的超高导电性,为未来研发超快速储能设备铺平了道路,未来锂电池的充放电耗时将仅需数秒,且所储存的电能要远高于常规的超级电容器。

MXene材质简介

二维过渡金属碳化物或碳氮化物,即MXenesMXene是一款扁平的纳米材料,于2011年被德雷塞尔大学材料科学与工程系的研究人员所发现,其外观酷似三明治,由氧化物与导电的碳及金属填充物构成,而氧化物相当于三明治中的面包,将填充物夹在中间。在材料制造过程中,研究人员将采用层压法来制作MXene


7、慕尼黑工业大学

研究关键词:磷酸钴锂阴极、微波合成法

慕尼黑工业大学研发了一项新工艺,用于生产高压阴极材料磷酸钴锂,使其生产更为快捷、方便,且价格便宜、品质最优,进一步提升了电动车车载电池的性能。

TUM研究员Jennifer Ludwig博士研发了微波合成法:只需使用一个小型微波炉,再耗费0.5小时,就能生产出高纯度的磷酸钴锂。首先,将溶剂放入聚四氟乙烯容器内,加入试剂后用微波炉加热。微波炉的功率无需太高,只要600瓦就够用了,所需的反应温度在250℃,在该条件下可触发结晶反应。

Jennifer Ludwig的研究工作获得了宝马的支持,她与劳伦斯伯克利国家实验室、斯坦福同步加速器辐射光源及Walther-Meißner-InstitutWMI)共同开展该项研究合作。

8、德克萨斯大学奥斯汀分校科克雷尔工程学院

研究关键词:纳米金属箔、纳米级合金阳极高效储能

德克萨斯大学奥斯汀分校科克雷尔工程学院的研究人员发现了新阳极材料族--纳米金属箔使锂电池阳极的充电电量翻一番,这意味着未来储能系统将变得更高效。

新阳极材料组可节省大量的阳极制造时间及材料用量,只需简单的两步,就能实现锂离子阳极的量产化。相较于当前锂离子电池所采用的石墨及黄铜阳极,研究人员所创造箔材料的厚度与重量只有前者的四分之一。

Manthiram与他的团队在研发新的阳极材料,该材料由共晶合金制成,采用机械轧制法,将其加工为纳米结构的金属箔。该研究的主要作者Kreder认识到,或可采用传统的金属合金工艺,将微米级合金阳极(micrometer-scale alloy anode)加工为纳米材料。

9、于利希研究中心与美国橡树岭国家实验室

研究关键词:铁-空气电池更大的能量密度

-空气电池的能量密度要远高于当前的锂离子电池。此外,其主要构成物“铁”的储量十分富足,该材料的价格也很便宜。为此,于利希研究中心与美国橡树岭国家实验室已成功观测到电池运行期间铁电极上的积聚物是如何形成的,其观测精度可达纳米级。

据估计,铁-空气电池能量密度的理论值在1200 Wh/kg,相较之下,当前锂离子电池的能量密度约为600 Wh/kg,若将电芯外壳的重量纳入考虑,其能量密度将低于350 Wh/kg

-空气电池的最大能量密度将达到11400 Wh/kg,但其技术难度极大、复杂性较高。然而,如果按体积能量密度来比对,铁-空气电池的表现则更好:9700 Wh/l,几乎是当前锂离子电池(2000 Wh/l)体积能量密度的5倍,锂-空气电池的体积能量密度“仅为”6000 Wh/l对于众多移动设备而言,铁-空气电池的吸引力依然很大,因为体积(空间)要求也成为了移动应用的一项重要参数指标。

然而,距该产品的市场成熟尚有一段时间。研究人员在实验室内进行了数千次的充放电试验,尽管铁质孤岛电极在运行时并未出现较大的能量损失,但铁-空气电池在采用空气电极作为电池的另一极后,充放电次数却只维持在20-30次。

10、上海复旦大学能源材料化学协同创新中心

研究关键词:富锂阴极、非石墨烯化、硬碳、预锂化硬碳

上海复旦大学能源材料化学协同创新中心的研究人员采用了耐寒型硬碳阳极及功能强大的富锂阴极。“非石墨烯化”或“硬”碳是电池内的一款低成本电极材料,且颇具市场前景。即使在低温下,可展现其快速的嵌锂能力。在电池充放电期间,锂离子可通过电解质从阳极移动至阴极,反之亦然。

现已证实,预锂化硬碳是一款功能强大的锂离子电容器材料。然而,预锂化工艺很复杂,也很费钱,其涉及到纯锂电极。

研究人员引入了一款富锂钒磷酸钒阴极,可用于锂化及常规电池操作。在首次充电过程中,锂离子会嵌入并存储。然后,研究人员结合利用了锂离子减少的磷酸钒阴极与预锂化硬碳阳极(LixC),从而形成锂离子电池工作系统。据研究人员解释,该款电池保留了常规锂离子电池的高能量密度,同时还展现了类似超级电容的的高电量及长使用寿命。

此外,在零下40摄氏度下,其电量保有量占到总量的2/3。相较之下,常规锂电池的电量保有量只有10%这主要得益于磷酸钒阴极的天然特性及预锂化硬碳阳极的快速反应动力学。目前,研究人员还在进行进一步测试,从而提升该款电化学电池的其他参数。

但该款产品存在一个瑕疵,在极寒条件下,其电解质将丧失导电性。若能解决该问题,该电池系统或许能提供具有吸引力的产品设计,实现其最佳性能,提升电动车电池的抗寒能力。

11、滑铁卢大学

研究关键词:锂金属电极让使电动车续航里程数翻三倍

滑铁卢大学的新研究或将使电池研发取得突破性进步,使电动车续航里程数翻三倍。该项技术突破包括:采用锂金属制作的负极,该材料或将大幅提升电池的储能。

储能或能量密度的提升或将使电动车的续航里程数从200公里飙升至600公里。在创建该项技术时,Pang及其同事们不得不克服两项技术难题。

研究人员向电池的电解液内加入了磷及硫等化学物质,同时克服了上述两项难题。该化学物将同电池内的锂金属电极发生反应,研究人员还为该电池电极涂覆了极薄的保护层。

该方法提升了电池性能,发挥了锂金属电极的优点,提升了电池的储能容量,在不牺牲安全性或降低电池使用寿命的前提下,大幅提升了电池的续航里程数。

12美国橡树岭国家实验室

研究关键词:电极裂缝可在汽车事故中避免电池故障风险

美国橡树岭国家实验室(ORNL)的研究人员提出了新的锂离子电池设计理念,其电机内部存在裂缝,可在汽车事故中避免电池故障风险。

该设计理念或将允许电池制造商按比例缩小外壳材料,这类材料通常可防止电动车出现机械损坏,提升整体能量密度及成本。该团队对样品进行了压力测试,利用大金属球按压标准锂离子电池。在按压该款电池后,其外形酷似番茄,但其电池容量依旧能达到初始值的93%。若换作标准电池,同等伤害会导致电池充分放电并出现故障。

对于该款重新设计的电池而言,电极的裂缝制作只会增加少量制造成本,并不要求对该款电池进行大幅改动,该团队认为未来该技术的应用规模将扩大。然而,目前还需要做更多的测试。

全文到此结束,希望能给奋斗在电池技术研究汪洋大海中的你一点点启发。

参考来源:李文龙 盖世汽车

编辑:粉体

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