三元锂电池频繁自燃,电极创新仍在继续 趋势线

股票资讯  2021-02-27 10:06:26

目前,全世界的科学家和工业界都在探索利用锂离子电池为电动汽车甚至航天飞机提供动力,因此提高能量密度非常重要。研究人员也在寻找新的材料来增加储存在阳极中的锂离子量。看来尽管全球电动车大火,三元锂电池可能还是有救的,最后期限还没有真正到来

图-网络

日前,韩国现代汽车有限公司的一辆电动公交车自燃。前几个月,现代汽车有限公司发生了十多起火灾事故,导致3.3万辆汽车被召回,耗资58亿元。这些车辆都配备了LG能源解决方案(LG Chem的子公司)生产的电池。

去年年底,特斯拉合作伙伴LG表示,预计将成为其主要的圆柱形电池供应商。为了实现这一目标,LG计划在其中国南京工厂扩建其2170镍锰钴(NMC)锂电池生产线,以支持特斯拉上海超级工厂的Y型车。注:2170也是三元锂电池,不是LG计划2021年量产的全球首款超高镍NCMA四元锂电池。

虽然2020年中国近百起自燃事件大部分都是三元锂电池型号,但目前还没有电池化学可以完美替代,所以人们仍在不断尝试改进。我们来看看2021年这方面的一些进展。

锂电池细节已经改进了一会儿

锂离子电池(LIB)是现代科学技术的重要组成部分,功能强大、便携、可充电,广泛应用于智能手机、笔记本电脑和电动汽车。

2019年,人类远离化石燃料,未来完全改变电能储存和消耗方式的潜力得到充分认可。锂离子电池发明者、冲绳科技大学(OIST)理事会成员阿基拉·吉野博士获得诺贝尔奖,以表彰他对锂离子电池发展的贡献。

当电池充电时,锂离子被迫从电池的一侧(阴极)通过电解质移动到电池的另一侧(阳极)。放电时,锂离子会移回阴极,释放电池的电流。传统锂离子电池的阳极是石墨,但这种碳材料有很大的局限性。在石墨阳极中,储存一个锂离子需要六个碳原子,因此这些电池的能量密度非常低。

自问世以来,锂离子电池一直在不断改进和调整。在大多数大规模应用中,锂离子电池研究的重点是在不增加整体尺寸的情况下提高容量和电压极限。当然,要做到这一点,必须更换电池组件和材料。

为了消除二氧化碳排放,电动汽车主导道路的时代越来越近,但汽车厂商面临的主要问题之一是如何制造一种价格合理、耐用、耗能大、充电快速高效的电池。因此,制造储能目标为500瓦时/千克的电动汽车电池的竞争一直在进行,这可能需要更换新的阴极材料。

硅+聚合物涂层替代石墨阳极

许多研究人员正在研究用硅阳极代替传统的石墨阳极来提高锂离子电池的容量。虽然硅是一种很有前途的阳极材料,其容量可以提高近10倍,但在硅阳极商业化之前,仍有一系列挑战必须克服。

其中之一就是硅阳极的性能会随着电池的使用而迅速下降。聚合物涂层可以解决这个问题,但很少有人研究其内在机理。日本高级科学技术研究所(JAIST)的科学家研究了聚硼硅氧烷(PBS)涂层在稳定硅阳极容量方面的意义,从而为制造更好、更耐用的锂离子电池铺平了道路。

聚合物涂层可以解决困扰硅阳极的一个致命缺陷:形成过大的固体电解质界面(SEI)。电解质和阳极之间自发形成的SEI对电池的长期性能至关重要。硅材料在使用过程中往往会大大膨胀,导致连续的SEI形成和可用电解质的耗尽。这将阻碍电池的性能,并随着时间的推移导致容量显著下降。

使用聚合物涂层可以防止硅上过度的SEI,形成人工稳定的SEI。虽然研究人员已经注意到了PBS作为硅阳极涂层的潜力,但以前的研究没有对其机理提供明确的解释。

figure:人工固体电解质的界面具有良好的锂离子传导性和稳定性

研究小组比较了有和没有聚合物涂层的硅阳极在稳定性、容量和界面特性方面的短期和长期性能。通过一系列电化学测量和理论计算,他们了解了PBS如何帮助稳定硅阳极的容量。

与裸硅阳极和涂有聚偏氟乙烯(LIB中的一种商业涂层)的阳极相比,PBS的自愈合及其对锂离子的可逆调节显著提高了稳定性。部分原因是PBS可以填充SEI在运行过程中形成的所有裂缝。与上述阳极不同的是,在超过300个循环的时间里,涂有PBS的硅阳极的容量几乎保持不变。

picture:PBS涂层的自愈合特性提供了更稳定的性能

通过解决与硅阳极相关的主要问题,本研究为新一代具有更高容量和耐久性的锂离子电池铺平了道路。领导这项研究的松尾诺吉教授说:“大容量锂离子电池的广泛应用将使电动汽车的行驶距离更长,无人机的尺寸更小,可再生能源的储存效率更高。十年之内,我们甚至可能看到锂离子电池被用作火车、轮船、飞机等大型车辆的二次能源。”

picture:锂金属电池阳极改进使电池寿命延长一倍

温度敏感天平控制锂阳极上氢化锂的形成和分解

锂金属电池(LMB)的能量可以是锂离子电池的两倍,前提是它的阳极在使用时不会分解成小块。中国科学院青岛生物能源与过程研究所(QIBEBT)崔光磊教授带领的研究小组,对锂金属电池自毁的原因进行了鉴定,并提出了预防措施。这为在不增加电池体积的情况下以较低成本从根本上提高电池能量提供了希望。

虽然LMB是一个长寿命的电池概念,其阳极将有一个“粉碎”的微观结构,这将在周期内迅速停止工作。事实上,锂离子电池是一个妥协:LMB的概念是调整使用石墨阳极,以防止阳极失效,但代价是低得多的储能水平。

根据传统观点,锂枝晶是在电池循环过程中形成的,任何失败的LMB都会有一个粉碎的结构。然而,在粉碎的结构中是否存在氢化锂(LiH)一直存在争议。LiH的导电性很差,很脆,这也解释了为什么会被压碎。

研究小组在典型的运行条件下运行一个实际的LMB。使用质谱仪(一种可以识别未知化合物的分析工具),研究人员证实LiH在电池使用过程中确实成为阳极上的主要化合物。

他们还发现,这种化学反应对温度很敏感:它只在室温下发生,如果温度上升到这个水平以上,这个过程就可以逆转。这表明可以通过具有相同效果的热处理或压力处理或两者的组合来防止LiH的产生。其他选择包括抑制氢离子的产生,或者使用界面材料来防止锂受到氢的影响。

QIBEBT的科学家崔光雷说:“通过这项研究,下一步是实现某种形式的真正好的锂保护方法。这将实现锂金属电池早就期待的实际应用。”

硅阳极结构的增强带来了新的商业化潜力

锂离子电池正极最有前途的候选材料之一是硅,它可以将四个锂离子结合到每个硅原子上。硅阳极在一定体积内可以储存十倍于石墨阳极的电荷,就能量密度而言,高出整整一个数量级。问题是锂离子进入阳极时,体积变化很大,高达400%左右,会导致电极断裂。

此外,大的体积变化也阻碍了电解质和阳极之间保护层的稳定形成。所以每次给电池充电,这一层必须不断更换,耗尽了有限的锂离子供应,缩短了电池寿命和可充电性。

冲绳科学技术研究生院(OIST)进行的一项新研究发现了一种改进锂离子电池阳极的特殊构件。这种由纳米粒子技术构建的结构创造了一种更强的阳极,它可以抵抗上述应力,吸收尽可能多的锂,并确保在降解前尽可能多的充电循环。

picture: chamber 1,生长中的金属钽制成的纳米颗粒,单个钽原子聚集在一起,如同雨滴;腔室2,其对纳米颗粒进行质量过滤以去除过大或过小的纳米颗粒。在室3中,纳米粒子层被沉积,然后隔离的硅原子被“喷射”以形成硅层。重复此过程以创建多级结构。

新的研究解释了刚度在临界厚度时的突然增加。通过显微镜技术和原子水平的计算机模拟,研究人员发现,当硅原子沉积在纳米颗粒层上时,它们不会形成均匀的薄膜。相反,它们形成倒锥形柱,随着越来越多的硅原子沉积,柱越来越厚。最后,单晶硅柱相互接触形成拱形结构。

在第一阶段,硅膜具有刚性但不稳定的柱状结构;第二阶段,柱顶接触形成实心拱形结构;第三阶段,硅原子进一步沉积形成海绵状结构。红色虚线表示硅在应力下的变形。

OIST的格拉姆蒂科普洛斯博士说:“拱形结构和土木工程中的拱形结构一样坚固。同样的概念也适用于纳米级。”

重要的是,结构强度的提高也与电池性能的提高是一致的。当科学家进行电化学测试时,他们发现锂离子电池的充电容量增加了。保护层也更稳定,这意味着电池可以承受更多的充电周期。

这种拱形结构及其独特的性能不仅向锂离子电池硅阳极的商业化迈出了重要的一步,而且在材料科学领域也有许多潜在的应用。

Grammatikopoulos博士说:“拱形结构可以用于需要坚固并能承受各种应力的材料,如生物植入或储氢。只需改变层的厚度,就可以根据所需的材料硬度精确制作。这就是纳米结构的美。”

铅基阳极复兴古代铅

锂离子电池的工作原理是充电时将锂离子注入阳极,放电时取出锂离子。现在石墨阳极可以运行上千次这样的充放电循环,但似乎已经到了储能容量的极限。

美国能源部(DOE)阿尔贡国家实验室的科学家报告了一种新的锂离子电池电极设计,该设计使用铅和碳等低成本材料。这项重要发现的贡献者包括来自西北大学、布鲁克海文国家实验室和蔚山国家科学技术研究所(UNIST)的科学家。

阿贡化学科学与工程(CSE)部门的材料科学家李恩杰(Eungje Lee)表示:“我们的研究对于设计低成本、高性能和可持续的锂离子电池具有令人兴奋的意义,这种电池可以为混合动力和全电动汽车提供动力。”

他们认为铅是一种有趣的阳极材料,而不是石墨。铅特别有吸引力,因为它丰富而便宜。此外,铅酸电池为汽车提供辅助动力的历史悠久,拥有完善的供应链,是世界上回收利用最多的材料之一。美国目前的铅回收率为99%。

李补充说:“我们的新阳极可以为目前从事铅酸电池制造和回收的大型行业提供新的收入来源。”

picture:大循环:锂离子电池,阳极开发的铅基核壳粒子,周期表中的铅,汽车用铅酸电池。

这一组的阳极不是普通的铅板,而是无数结构复杂的微观粒子:铅纳米粒子镶嵌在碳基体中,被一层薄薄的氧化铅壳包裹。虽然这种结构听起来很复杂,但研究小组发明了一种简单低成本的制造方法。

据报道,该方法是将大的氧化铅颗粒与碳粉混合,摇动几个小时,直到它们形成具有所需核壳结构的微观颗粒。实验室电池的100次充放电循环测试表明,这种新型铅基纳米复合阳极的储能能力是现有石墨阳极的两倍(按相同重量标准化)。在循环过程中,它可以实现稳定的性能,因为小颗粒尺寸降低了应力,而碳基体提供了所需的导电性,并在防止循环过程中破坏性的体积膨胀方面发挥了缓冲作用。研究小组还发现,在标准电解液中加入少量碳酸乙烯氟酯可以显著提高性能。

研究人员研究了芝加哥大学地球环境高级辐射源中心(GSECARS)阿尔贡高级光子源阳极的充放电机制。通过同步辐射x光衍射,它们可以跟踪阳极材料在充放电过程中的相变。这些表征结果与西北大学原子和纳米尺度表征中心和布鲁克海文能源部的用户设施国家同步辐射源二号收集的结果相结合,揭示了铅和锂离子在充电和放电过程中以前未知的电化学反应。

李说:“这个基本观点对于理解铅和硅阳极的反应机理可能非常重要。硅阳极是下一代低成本高性能锂离子电池的又一候选材料。我们的发现挑战了目前对这种电极材料的理解,也为设计低成本、高性能的运输和固定储能阳极材料(如电网备用电源)提供了令人兴奋的启示。”

能量密度继续增加

目前,全世界的科学家和工业界都在探索利用锂离子电池为电动汽车甚至航天飞机提供动力,因此提高能量密度非常重要。研究人员也在寻找新的材料来增加储存在阳极中的锂离子量。看来尽管全球电动车大火,三元锂电池可能还是有救的,最后期限还没有真正到来。

+


以上就是三元锂电池频繁自燃,电极创新仍在继续趋势线的全部内容了,喜欢我们网站的可以继续关注春元股票网其他的资讯!

相关推荐

龙大肉食拟募集不超过15亿元补充营运资金等
8月6日,首创获悉,龙大肉食(002726.SZ)公布了非公开发行股票计划。方案显示,本次龙大肉食的发行对象为不超过35家符合条...
康隆化工旗下子公司拟以1.2亿美元收购生物制剂公司ABL全部股权
3月1日,首创获悉,港股公司康隆化工(03759.HK)发布公告称,2月26日,康龙生物(英国)和康龙香港国际(均为全资子公司)...
恒盛地产:不打算与任何第三方谈判出售上海湾项目
10月19日,首创获悉,港股公司恒盛地产(00845.HK)发布公告称,关于拟出售恒盛上海湾项目剩余物业的报告与事实不符,毫无根...
天海防务第二大股东涉嫌合同欺诈被刑事立案
7月5日,首都国事获悉,天海防务(300008.SZ)公告称,公司近日收到上海市公安局松江分局下发的《立案通知书》。经该局审查,...
小鹏汽车再获逾3亿美元融资,电商巨头阿里巴巴领投
8月3日,国都获悉,据IT橙讯报道,小鹏汽车获得C%252B轮5亿美元融资,不到半个月时间,就获得了超过3亿美元的融资。中国电子...
五龙电动汽车:执行董事因行为不当被停职,子公司处理问题暴露
6月22日,首都国家获悉,五龙电动汽车(00729)公告,其专门委员会已就3月10日起被停职的执行董事曹忠担任集团董事及若干其他...
特斯拉全球最大充电站将亮相概念车
2017-11-20财富创业板新闻:特斯拉官方网站发布了最新消息,特斯拉全球最大的超级充电站"上海浦东紫丁香国际商务中心"充电站...
明阳智能股东汇付凯乐提前终止减持,现已完成减持2.22%的股份
12月28日,首创获悉,A股公司明阳智能(601615.SH)提前终止了减持计划。明阳智能于2020年12月25日收到广州汇富凯...
安徽区域股市周报:8家机构调查Excalibur股票6952万股融资购买海螺水泥
截至2021年5月16日,安徽有132家A股上市公司,总市值达20205.59亿元,位居全国第十,比上周增加458.54亿元。安...

友情链接