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新材料提升锂电池稳定性,手机续航有望延长2倍

时间:2018-06-29 作者:EnergyTrend 阅读:
3C 产品与电动车需求与日俱增,因此开发高容量电池需求刻不容缓,而美国西北大学(NU)研究发现可提升高容量锂离子电池稳定性的材料……

3C 产品与电动车需求与日俱增,因此开发高容量电池需求刻不容缓,而美国西北大学(NU)研究发现可提升高容量锂离子电池稳定性的材料,这一突破可望将手机与电动车续航电力提升到两倍以上。

西北大学工程与应用科学学院材料工程教授 Christopher Wolverton 表示,锂锰氧化物电极容量是所有过渡金属氧化物电极最高的一种,其容量是当今手机与笔记本电脑电池的两倍,稳定这类高容量特性可让未来车用锂离子电池性能突飞猛进。

在锂电池中,锂离子会在阴极与阳极之间不断往返,其中阴极由锂离子、过渡金属和氧化物制成,当锂离子抵达阴极并要返回阳极时,钴等过渡金属就会进行储存与释放电能,而阴极容量则会受到过渡金属中的电子数限制。

氧气为电池高容量关键

法国研究团队在 2016 年首次提出高容量锂──二氧化锰电池,利用较便宜的锰金属取代传统又昂贵的钴,研发出成本更低、容量更高的电极。然而该电池虽然拥有高容量电极,但是并不持久,电池性能在前两次充放电循环就显著下降,因此研究人员认为该电池尚不能商业化,他们也无法确切得知为何电极容量比较高与快速退化因素。

Wolverton 团队详细研究阴极原子图(atom picture)后,发现阴极高容量之谜──材料强制让氧气参与反应,因此电极除了过渡金属之外,还利用氧气来储存电能和放电,如此一来电池便具有更高容量和可利用更多锂离子。

得出电极高容量背后原因之后,团队开始研究如何稳定电池,团队成员兼论文第一作者 Zhenpeng Yao 指出,研究凭借各种充电知识与高通量(high-throughput)运算来分析扫描元素周期表,用新方法来合成化合物与潜力元素,并找出提升电池性能关键。
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▲ 阴极结构示意图,其中锂为红色、氧与锰是绿色跟紫色,铬与钒则分别是深蓝色与浅蓝色。(Source:西北大学)

研究运算结果直指铬和钒金属,团队则认为把该元素与锂锰氧化物混合后,就能产生稳定化合物,进而维持电极高容量。未来 Wolverton 团队将会进一步测试这些理论化合物。目前该研究已发表在《Science Advances》。

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