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

文︱立厷

圖︱網(wǎng)絡(luò)

日前,韓國(guó)現(xiàn)代汽車一輛電動(dòng)巴士發(fā)生自燃,此前數(shù)月,現(xiàn)代汽車已經(jīng)發(fā)生了十余起起火事故,導(dǎo)致3．3萬(wàn)臺(tái)車輛召回,費(fèi)用高達(dá)58億元之巨。這些車輛搭載LG化學(xué)旗下LGEnergySolution生產(chǎn)的電池。

去年年底,特斯拉合作伙伴L(zhǎng)G稱有望成為前者的重要圓柱形電池供應(yīng)商。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),LG正計(jì)劃在其我國(guó)南京廠擴(kuò)建2170鎳錳鈷(NMC)鋰離子電池生產(chǎn)線,以支持特斯拉上海超級(jí)廠的ModelY。注意:2170還是三元鋰離子電池,并非此前LG計(jì)劃于2021年量產(chǎn)的全球首款超高鎳NCMA四元鋰離子電池。

盡管2020年國(guó)內(nèi)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(méi)有一種可以完美替代它的電池化學(xué),因此,人們還在想方設(shè)法對(duì)其不斷改進(jìn)。我們來(lái)看看進(jìn)入2021年這方面的一些進(jìn)展。

鋰離子電池細(xì)節(jié)改進(jìn)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(qiáng)大、攜帶方便、可充電,廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、筆記本電腦和電動(dòng)汽車。

2019年,人類遠(yuǎn)離化石燃料,未來(lái)徹底改變儲(chǔ)存和消耗電力方式的潛力得到了充分認(rèn)可,沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)(OIST)理事會(huì)成員鋰離子電池發(fā)明者AkiraYoshino博士獲得了諾貝爾獎(jiǎng),以表彰他在開(kāi)發(fā)鋰離子電池方面的貢獻(xiàn)。

當(dāng)電池充電時(shí),鋰離子被迫從電池的一側(cè)(陰極)通過(guò)電解液移動(dòng)到電池的另一側(cè)(陽(yáng)極)。在放電時(shí),鋰離子會(huì)移回陰極,并從電池中釋放電流。傳統(tǒng)鋰離子電池的陽(yáng)極是石墨,但這種碳材料有很大的局限性。在石墨陽(yáng)極中,儲(chǔ)存一個(gè)鋰離子要六個(gè)碳原子,因此這些電池的能量密度很低。

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

為消除二氧化碳排放,電動(dòng)汽車主宰道路的時(shí)刻越來(lái)越近,但汽車制造商面對(duì)的一個(gè)重要問(wèn)題是如何制造一種價(jià)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(chǔ)能目標(biāo)為500Wh/kg的電動(dòng)汽車電池的競(jìng)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(yáng)極

許多研究人員都在研究使用硅陽(yáng)極,而不是傳統(tǒng)石墨陽(yáng)極來(lái)提高鋰離子電池容量。盡管硅是一種很有前途的陽(yáng)極材料,其容量可新增近10倍,但在硅陽(yáng)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(yáng)極性能會(huì)迅速下降。聚合物涂層可以解決這一問(wèn)題,但很少有人研究探討其內(nèi)在機(jī)制。日本高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究所(JAIST)的科學(xué)家們研究了聚硼硅氧烷(PBS)涂層在穩(wěn)定硅陽(yáng)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(yáng)極的一個(gè)致命缺點(diǎn):形成過(guò)大的固體電解質(zhì)界面(SEI)。電解液和陽(yáng)極之間自發(fā)形成的SEI實(shí)際上對(duì)電池的長(zhǎng)期性能至關(guān)重要。硅材料在使用過(guò)程中往往會(huì)大幅膨脹,從而導(dǎo)致持續(xù)的SEI形成和可用電解液耗盡。這會(huì)阻礙電池的性能,并隨著時(shí)間推移導(dǎo)致容量大幅下降。

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

圖:人工固體電解質(zhì)界面具有良好的鋰離子導(dǎo)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(méi)有聚合物涂層的硅陽(yáng)極的短時(shí)間和長(zhǎng)期性能。他們通過(guò)一系列電化學(xué)測(cè)量和理論計(jì)算了解了PBS如何幫助穩(wěn)定硅陽(yáng)極的容量。

與裸露的硅陽(yáng)極和涂有聚偏氟乙烯(LIB中的一種商用涂層)的陽(yáng)極相比,PBS的自愈性及其對(duì)鋰離子的可逆調(diào)節(jié)顯著提高了穩(wěn)定性。部分原因是PBS能夠填充SEI在運(yùn)行期間形成的所有裂縫。與上述陽(yáng)極不同,PBS涂層硅陽(yáng)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(yīng)更穩(wěn)定的性能

通過(guò)解決與硅陽(yáng)極相關(guān)的重要問(wèn)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(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的NoriyoshiMatsumi教授表示:“大容量鋰離子電池的廣泛應(yīng)用將使電動(dòng)汽車行駛距離更長(zhǎng),無(wú)人機(jī)體積更小,可再生能源的儲(chǔ)存效率更高。在十年內(nèi),我們甚至可能看到鋰離子電池被用作火車、船只和飛機(jī)等大型交通工具的二次能源?！?/p>

圖:鋰金屬電池陽(yáng)極改進(jìn)讓電池壽命加倍