科学家巧妙地设计了一种钝化层 再次翻倍延长电动汽车锂电池寿命

行业 (64) 1个月前
没有人愿意将新电池用到旧车上,电动汽车的电池寿命最好与汽车寿命一样长。
汽车使用十年后,锂离子电池的衰减最好在20%以内,对于能量密度越来越高的电池来说,电池动力依然强劲。
科学发展至今,对锂离子电池的衰减机制了解越来越多,锂电镀和锂枝晶的产生,电极尤其是阴极与电解质的寄生反应,锂离子的嵌入与脱嵌导致电极材料的机械应变,电解液的降解等等都是锂离子电池衰减的根本原因。
学术界科学家们针对以上原因苦寻解决方法也是“各显神功”,但是都离不开一点,那就是材料,对材料的理解程度,特别考验科学家的内功。
有一个科研团队——澳大利亚昆士兰大学的研究人员,在对众多的化学材料经过了大量的艰苦的筛选和测试后,终于确定了一种金属稀土元素——镧(La),能显著地减缓锂离子电池的衰减。

目前电动汽车所使用的锂离子电池,其电解液都是液体的,电极和电解液界面发生的反应和界面特性对锂离子电池的循环寿命和安全起着关键作用。
对电极与电解液发生反应的相关研究已经进行了约40年,之前的研究进展比较缓慢。但是近几年电动汽车的需求增长带动了这一研究的飞速发展。
这项研究的科学家目的在于尽可能地阻止电极与电解液的反应,减缓电极材料的降解,同时使用的材料又不能影响离子电导率。
他们首先用材料库中很多的金属元素掺杂进锂离子电池正极材料的主晶格中,并对它们一一进行了测试,分析掺杂剂对电极结构、溶解度极限以及电池性能的影响。
最终他们发现了镧(La)元素对晶格的特殊影响。使用同步加速器 X 射线粉末衍射图谱对尖晶石结构进行观察时,发现La与正极材料混溶性比较大,此外La掺杂在烧结过程中显着降低了晶体质量,说明大 La 离子在晶格中的扩散遇到了重要的障碍。

这表明La 的不混溶性允许足够的表面扩散,以便在高温下更好地覆盖电极材料,而无需担心相互扩散。
因此,La的掺杂可作为一种完美的钝化层,在锂离子电池充放电循环期间,减少电极与电解液发生反应而产生的腐蚀。
由于锂镍锰氧正极材料在锂离子电池中比较容易降解,这也是限制它实际应用的一个挑战,因此,用这种材料制备的电池来测试钝化层,能更清楚的观察它对正极材料的保护效果。
接下来,他们制备了一种新型的锂离子电池,正极材料为锂镍锰氧并含有La掺杂形成的钝化层,负极材料为石墨,并对其存储性能进行了测试。
在26°C , 4.8 V 的高电压下,全电池在 1000 次充放电循环后,容量的保持率在80%左右。
这1000次循环是在相对比较高的比电流下进行的测量,对于寿命比较短的锂镍锰氧电池来说,相当于将电池的寿命延长了一倍。

另外,通过电化学阻抗谱的分析显示,与对照电池的电阻相比,加了钝化层的电池的电阻低了约2倍!电池长循环后电阻增高会导致电池发热,这是性能下降的一个表现。
说明加了钝化层的电池没那么容易发热,性能在1000次充放循环后依然很好。这种方法稳定了电池的正极材料,极大地减缓了其在充放电过程中的降解。
领导这项研究的Zhoulian Wang教授说:“我们的工艺将延长许多东西的电池寿命,从智能手机和笔记本电脑到电动工具和电动汽车。”
“这种新方法所加的保护涂层,为将这些丰富的高压材料用于下一代高能电池铺平了道路。”
目前,他们的研究结果发表在了学术期刊《Nature Communications》上。

发表评论