目前,全世界的科學家和工業(yè)界都在探索利用鋰離子電池為電動汽車甚至航天飛機供應動力,因此提高能量密度至關重要。研究人員也在尋找新的材料,以新增儲存在陽極的鋰離子數(shù)量。看來,盡管全球電動汽車起火此起彼伏,三元鋰離子電池也許還有救,大限還沒有真正到來

文︱立厷

圖︱網絡

日前,韓國現(xiàn)代汽車一輛電動巴士發(fā)生自燃,此前數(shù)月,現(xiàn)代汽車已經發(fā)生了十余起起火事故,導致3．3萬臺車輛召回,費用高達58億元之巨。這些車輛搭載LG化學旗下LGEnergySolution生產的電池。

去年年底,特斯拉合作伙伴LG稱有望成為前者的重要圓柱形電池供應商。為實現(xiàn)這一目標,LG正計劃在其我國南京廠擴建2170鎳錳鈷(NMC)鋰離子電池生產線,以支持特斯拉上海超級廠的ModelY。注意:2170還是三元鋰離子電池,并非此前LG計劃于2021年量產的全球首款超高鎳NCMA四元鋰離子電池。

盡管2020年國內發(fā)生的近百起自燃大部分都是三元鋰離子電池車型,但目前還沒有一種可以完美替代它的電池化學,因此,人們還在想方設法對其不斷改進。我們來看看進入2021年這方面的一些進展。

鋰離子電池細節(jié)改進一刻未停

鋰離子電池(LIB)是現(xiàn)代科技的重要組成部分,功能強大、攜帶方便、可充電,廣泛應用于智能手機、筆記本電腦和電動汽車。

2019年,人類遠離化石燃料,未來徹底改變儲存和消耗電力方式的潛力得到了充分認可,沖繩科學技術大學院大學(OIST)理事會成員鋰離子電池發(fā)明者AkiraYoshino博士獲得了諾貝爾獎,以表彰他在開發(fā)鋰離子電池方面的貢獻。

當電池充電時,鋰離子被迫從電池的一側(陰極)通過電解液移動到電池的另一側(陽極)。在放電時,鋰離子會移回陰極,并從電池中釋放電流。傳統(tǒng)鋰離子電池的陽極是石墨,但這種碳材料有很大的局限性。在石墨陽極中,儲存一個鋰離子要六個碳原子,因此這些電池的能量密度很低。

自問世以來,鋰離子電池一直在不斷改進和調整。在大多數(shù)較大規(guī)模的應用中,鋰離子電池研究的重點在于提升容量和電壓極限,而不新增其總體尺寸。當然,要做到這一點,電池組件和材料必須有所改變。

為消除二氧化碳排放,電動汽車主宰道路的時刻越來越近,但汽車制造商面對的一個重要問題是如何制造一種價格合理、持久耐用、能量密集、能夠快速高效充電的電池。因此,制造儲能目標為500Wh/kg的電動汽車電池的競賽一直在持續(xù),這可能也要更換新的正極材料。

硅+聚合物涂層替代石墨陽極

許多研究人員都在研究使用硅陽極,而不是傳統(tǒng)石墨陽極來提高鋰離子電池容量。盡管硅是一種很有前途的陽極材料,其容量可新增近10倍,但在硅陽極商業(yè)化之前,還有一系列必須克服的挑戰(zhàn)。

其中之一是,隨著電池的使用硅陽極性能會迅速下降。聚合物涂層可以解決這一問題,但很少有人研究探討其內在機制。日本高級科學技術研究所(JAIST)的科學家們研究了聚硼硅氧烷(PBS)涂層在穩(wěn)定硅陽極容量方面的意義,從而為制造更好、更耐用的鋰離子電池鋪平了道路。

聚合物涂層可以解決困擾硅陽極的一個致命缺點:形成過大的固體電解質界面(SEI)。電解液和陽極之間自發(fā)形成的SEI實際上對電池的長期性能至關重要。硅材料在使用過程中往往會大幅膨脹,從而導致持續(xù)的SEI形成和可用電解液耗盡。這會阻礙電池的性能,并隨著時間推移導致容量大幅下降。

使用聚合物涂層可以防止在硅上形成過多的SEI,并形成一種人工的、穩(wěn)定SEI。盡管研究人員已經注意到了PBS作為硅陽極涂層的潛力,但之前的研究并沒有對其用途機制供應明確的解釋。

圖:人工固體電解質界面具有良好的鋰離子導電性和穩(wěn)定性

研究小組從穩(wěn)定性、容量和界面特性方面比較了有和沒有聚合物涂層的硅陽極的短時間和長期性能。他們通過一系列電化學測量和理論計算了解了PBS如何幫助穩(wěn)定硅陽極的容量。

與裸露的硅陽極和涂有聚偏氟乙烯(LIB中的一種商用涂層)的陽極相比,PBS的自愈性及其對鋰離子的可逆調節(jié)顯著提高了穩(wěn)定性。部分原因是PBS能夠填充SEI在運行期間形成的所有裂縫。與上述陽極不同,PBS涂層硅陽極的容量在300多次循環(huán)中幾乎保持不變。

圖:PBS涂層自愈合性供應更穩(wěn)定的性能

通過解決與硅陽極相關的重要問題,該研究為新一代具有更高容量和耐用性的鋰離子電池鋪平了道路。領導這項研究的NoriyoshiMatsumi教授表示:“大容量鋰離子電池的廣泛應用將使電動汽車行駛距離更長,無人機體積更小,可再生能源的儲存效率更高。在十年內,我們甚至可能看到鋰離子電池被用作火車、船只和飛機等大型交通工具的二次能源。”

圖:鋰金屬電池陽極改進讓電池壽命加倍