电池突破推动电动飞行和远程电动汽车发展

电池突破推动电动飞行和远程电动汽车发展

研究人员已经开发出一种新的电池材料，可以使远程电动汽车一次充电即可行驶数百英里，并使称为 eVTOL 的电动飞机能够实现快速、环保的通勤。

为了寻找一种可以一次充电为电动汽车 (EV) 行驶数百英里的可充电电池，科学家们一直在努力用锂金属阳极取代目前在 EV 电池中使用的石墨阳极。

但是，虽然锂金属将电动汽车的行驶里程延长了 30-50%，但由于锂枝晶，锂金属在多次充电和放电循环过程中会在锂阳极上形成微小的树状缺陷，因此也会缩短电池的使用寿命。更糟糕的是，如果树突与阴极接触，它们会使电池中的电池短路。

几十年来，研究人员一直认为坚硬的固体电解质（例如由陶瓷制成的电解质）最能防止枝晶穿过电池。但许多人发现，这种方法的问题在于，它并没有从一开始就阻止枝晶的形成或“成核”，就像汽车挡风玻璃上的微小裂缝最终会扩散一样。

现在，能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的研究人员与卡内基梅隆大学合作，在《自然材料》杂志上报道了一种新型的软固体电解质——由聚合物和陶瓷制成——在早期成核阶段抑制枝晶，在它们传播并导致电池失效之前。

该技术是伯克利实验室跨其用户设施进行多学科合作的一个例子，以开发新的想法来组装、表征和开发固态电池的材料和设备。

固态储能技术，如固态锂金属电池，使用固态电极和固态电解质，可以提供高能量密度和出色的安全性，但该技术必须克服多样化的材料和加工挑战。

“我们的枝晶抑制技术对电池行业具有令人兴奋的影响，”共同作者、伯克利实验室分子铸造厂的科学家 Brett Helms 说。“有了它，电池制造商可以生产出更安全、能量密度高、循环寿命长的锂金属电池。”

赫尔姆斯补充说，用新电解质制造的锂金属电池也可用于为电动飞机提供动力。

抑制枝晶的软方法

设计这些新型软质固体电解质的关键是使用具有固有微孔隙率的软聚合物或 PIM，其孔隙中填充有纳米级陶瓷颗粒。由于电解液仍然是一种柔韧、柔软、坚固的材料，电池制造商将能够用电解液制造成卷的锂箔，作为阳极和电池隔膜之间的层压板。Helms 说，这些锂电极子组件或 LESA 是传统石墨阳极的有吸引力的直接替代品，允许电池制造商使用他们现有的装配线。

为了展示新型 PIM 复合电解质的枝晶抑制特性，Helms 团队在伯克利实验室的高级光源中使用 X 射线创建锂金属和电解质之间界面的 3D 图像，并可视化锂电镀和剥离到 16 小时在高电流。当存在新的 PIM 复合电解质时，观察到锂的连续平稳生长，而在不存在时，界面显示出枝晶生长早期阶段的明显迹象。

这些和其他数据证实了锂金属电沉积新物理模型的预测，该模型考虑了固体电解质的化学和机械特性。

“在 2017 年，当传统观点认为你需要硬电解质时，我们提出了一种新的枝晶抑制机制可以用软固体电解质实现，”该研究的共同作者、机械工程副教授兼教员 Venkat Viswanathan 说。卡内基梅隆大学斯科特能源创新研究所领导了这项工作的理论研究。“用 PIM 复合材料找到这种方法的材料实现真是太棒了。”

高级研究计划署能源 (ARPA-E) IONICS 计划的获奖者 24M Technologies 已将这些材料集成到电动汽车和 eVTOL（电动垂直起降）飞机的更大规格电池中。