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纯锂阳极电池研发获重大突破  

2014-10-12 17:38:18|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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斯坦福大学的研究人员宣布,他们在研发锂阳极方面取得了突破性进展。

  

 

锂离子电池是目前市面上常见的一种充电电池

图片来源: pinkyracer via Flickr
 
 
斯坦福大学的一支科研团队(成员中包括前任美国能源部部长朱棣文)相信,他们已经取得了锂电池设计行业的“圣杯”——制造纯锂阳极电池,这种采用纯锂阳极的锂离子电池可将电动汽车的续航里程提高到300英里(约合480公里)。
 
锂离子电池是目前市面上最为常见的充电电池之一,在智能手机和电动汽车上均有应用,但大多采用石墨或硅作为阳极材料。
 
目前的锂离子电池中所含的锂元素均以电解液的形式存在,充电时,电解液中的电子流向阳极。如果阳极材料是由金属锂组成,那么电池将会产生更多电力,而且重量更轻。
 
在此之前,锂阳极一直无法应用到实际的电池产品中,因为这种材料在充电期间会发生膨胀,进而表面开裂,释放锂离子,形成杂乱无章、发丝状的“枝晶”,枝晶生长到一定程度后将造成电池短路。此外,锂阳极同锂电解液的化学反应过于剧烈,容易使电池过热、起火甚至爆炸。
 
2013年,三辆特斯拉电动汽车在受到道路碎片高速撞击后起火,在此事件后,关于锂离子电池的易燃性问题备受关注。
 
斯坦福大学的团队认为,利用一层极薄的碳纳米球保护层,可以在阳极表面形成蜂窝状的柔性“护甲”,其厚度仅为20纳米。它能在保证强度要求的同时,在充放电时随阳极的胀缩而改变形状,可谓“强度与柔韧性俱佳”。
 
“驯服”金属锂
研究人员在近期出版的《自然?纳米技术》上发表了一份报告,详细描述了他们的研究内容。
 
“如今我们对电池能量密度的要求越来越高,而碳阳极将不再能满足这样的要求,”斯坦福大学材料科学与工程专业的崔屹教授说。他同时是该研究团队的负责人。
 
崔屹说,金属锂具有轻质和高能量密度的特性,这使锂最具作为阳极材料的潜力,而碳纳米球表层可以提高充放电效率,减少电解液的副反应。
 
但轻质高能的锂阳极要想真正进入锂离子电池制造的商业化阶段,仍有很长的路要走。斯坦福团队介绍称,这种纳米球表层可提高电池的库伦效率(指电池放电容量与同循环过程中充电容量之比)。
 
早期锂阳极电池的库伦效率可达到96%,但在100个充放电循环后效率会降到50%以下。而这种新型的锂阳极直至150个循环,仍能保持不低于99%的效率水平。
 
崔屹说,在接下来的几年内,他们的团队将着力完善电池的设计,以期在提高库伦效率的同时还能将高效率保持500~1000次循环。
 
“叫板”内燃机?
前美国能源部部长及诺贝尔奖得主朱棣文近期回到了斯坦福大学继续担任教授,并参与到崔屹的研究团队中。此前他向媒体称,新型的锂阳极设计可将电池容量提高四倍。
 
 “在不久的将来,你的手机可能会拥有两倍或三倍的续航时间,或者,你只需花费25000美金就可以买到一台有着300英里续航里程的电动汽车,这可以与每加仑40英里(相当于百公里油耗5.88升)的内燃机汽车相媲美,”朱棣文说。
 
朱棣文在今年加入了一家先进电池技术公司,这家公司是崔屹于六年前合作创办的创业公司,专注于锂离子电池领域。
 
约翰?古迪纳夫(John Goodenough)于上世纪70年代发明了锂离子电池,目前仍致力于该领域的研究,他称赞斯坦福团队的设计是“有着重要意义的一步”。
 
古迪纳夫现为德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程系和材料科学系的教授,他目前也在致力于锂阳极的研发设计,并且表示,这项技术离商业化还很远。
 
“我认为它(锂阳极)并不能解决所有问题,”他说,“但很有研究的价值。”(撰文:亨利?盖斯(Henry Gass)  翻译:吴东远  审校:李轩)
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