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    新一代電池的研究重點

    放大字體  縮小字體 發布日期:2022-05-16
     阿貢實驗室與合作機構的研究人員指出了用于未來電池性能的聚集體 Aggregates。

    跟蹤最新科學文獻是科學家工作中的的重要部分,科學家由此可以產生見解,從而在未來可能轉化成重大進展。

     

    該圖展示的是電池電解質的聚集體。(圖片由阿貢國家實驗室提供)

    2018年,美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室電池化學家Lei Cheng偶然發現一些關于電池電解質的研究,這些研究描述了納米聚集體結構的存在。這些是由數十到數百個帶電粒子組成的團簇,稱為離子,總直徑大于一納米。在此之前,大多數電池電解質研究都專注在更小的結構上。

    阿貢高級化學家、杰出學者 Larry Curtiss表示:其中研究的一項重要目標是找到什么時候聚集體是有益的,什么時候是無益的。當聚集體產生不利影響時,需要從電解質中消除它們。

    電解質是一種化學溶液,在電池運行中起到重要作用。電解質包含正極帶電離子,可以在電池的正負極之間來回移動。

    Cheng是聯合儲能研究中心(JCESR)的技術負責人,聯合儲能研究中心是一個能源創新中心(Energy Innovation Hub),由能源部發起,并由阿貢領導。聯合儲能研究中心將來自20機構超過150名研究人員聚集在一起,機構包括了國家實驗室、大學以及公司,設計并制造能夠成為新一代電池的材料。這種電池有助于在汽車、電網甚至電動飛機中實現重大的能量轉換。

    Cheng和其他幾位JCESR研究人員一致認為,聚集體值得深入研究。畢竟,研究團隊充分意識到電解質的結構可以明顯影響其特性,并最終對電池的性能起到很大的作用。舉例來說,為了研發更好的鋰離子電池,研究人員已經發現加入少量鹽可以使其更穩定。

    Cheng說:集聚體并不是一個大問題??蒲腥藛T不會過多討論如何影響電解質的性質。這就是為什么我們決定啟動研究項目進行進一步調查的原因。

    20182021年,研究中心的研究人員積累了足夠多的研究成果,聚集體是一個非常重要的新興話題,對于新一代電池性能具有潛在的重大影響。為了提醒電池科學界,研究人員在《American Chemical Societys Energy Letters》發表了一篇關于聚集體研究的調查與分析。這篇文章匯集了研究中心研究人員與其他科學家的60項研究結果。 

    對電解質特性的影響

    這篇文章探討了聚集體是如何影響電解質特性產生獨特影響的,其中包含穩定性以及離子傳輸。

    穩定性會影響電池性能的許多關鍵方面。其中包含了壽命(充放電循環次數)、安全性、能量密度以及充放電率。例如,不穩定的電解質容易分解。這樣或許會縮短電池的使用時間,并導致安全問題。

    離子運輸指的是離子通過電解質的速度。這種特性可以影響電池的充放電率??焖俚碾x子運輸可以使電動汽車充電更快速,同時也可以讓電網規模的電池更快地放電。另一個潛在益處是改善由大分子聚合物制成的電解質性能。這種電解質比液體電解液更加安全。

    電解質的聚集體對電池性能可能產生有利或不利的影響。因此,聚集體或許會減慢或加速離子運輸。

    經驗豐富的阿貢化學家,同時也是撰寫文章的其中一位作者Larry Curtiss表示:研究的一項重要目標是找出聚集體什么時候是有益的,什么時候是無益的。當聚集體產生了不利的影響時,或許應該從電解質中清除。

    聚集體的一個已知有益影響出現在鋰氧電池中。新一代電池的工作原理是通過電解質將氧氣輸送到陰極。聚集體與鋰反應生成過氧化鋰。與鋰離子電池相比,鋰氧電池具有較高的能量密度,有可能用于長途卡車和航空運輸。Curtiss與其他研究人員通過模擬計算,認為聚集體可以改善氧氣運輸以及在陰極電解質表面反應。然而,目前尚不清楚為什么會出現這些現象。

    Curtiss說:這是未來研究的一個領域。

    聚集體的形成

    聚集體的形成尚不完全明確。研究人員認為,這取決于電解質中離子和溶劑分子之間各種相互作用的強度。溶劑是能夠溶解其他材料的物質。

    Curtiss說:如果離子與溶劑分子反應弱,可能會得到更小的結構,例如,離子對。如果離子與離子之間的相互作用很強,可能就會得到聚集體。

    Cheng說:聚集體形成的背后,沒有一個完整且統一的理論。我們還需要知道調整哪些參數來操縱聚集體的形成與結構。

    存在很多知識鴻溝與研究需求 

    到目前為止,大多數的聚集體研究專注在鋰離子電池上。然而,鋰離子電池所用的電解質,例如,碳酸亞乙酯(ethylene carbonate)、碳酸丙烯酯(propylene carbonate)等,與許多正在研發的新一代電池的電極材料不兼容。包括鋰氧電池與鋰硫電池。隨著研究人員為這些先進電池研發的替代電解質,他們需要對聚集體的影響進行更多的調查研究。

    此外,多數關于聚集體的研究只檢測了其對電解質的影響。Curtiss說:關于聚集體是如何影響電極-電解質表面的研究是非常稀少的,但這對電池性能而言是至關重要的。我們不了解聚集體是如何影響界面上的離子運輸的。我們也不清楚聚集體是否會導致電子從陰極漏出并破壞電解質。

    Cheng說:一個巨大的知識鴻溝是聚集體如何使自己在表面聚集的,以及是如何影響電荷傳輸的。

    Cheng還補充我們需要研發新的專門針對這些界面的實驗表征工具??赡苄枰庾V工具,來記載材料的組成和結構。增強X射線技術,例如,阿貢先進光子源正在開發的X射線技術,該技術有助于檢測出聚集體的存在,并記錄其組成方式以及隨時間推移發生的變化。

    一個活躍的研究領域是改善計算與模擬方法,以精確描述聚集體與離子和分子之間復雜相互作用。機器學習(Machine learning)可以收集這些互動中的大量數據。

    Cheng、Curtiss與其他聯合儲能研究中心的研究人員計劃繼續進行幾項聚集體的研究。其中一項正在進行的研究領域涉及了不同離子與其他元素,以更好的了解聚集體的形成。阿貢研究人員計劃繼續與伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校(University of Illinois Urbana-Champaign)合作研究電極界面聚集體的影響。

    有趣的是,聚集體的形成并不是電池電解質獨有的。聚集體或可以在其他行業(例如,藥業)的材料生產過程中發揮重要作用。通過對電池電解的聚集體的研究得到的見解也會對其他過程帶來好處。

    文章的其他作者來自:阿貢國家實驗室Zhou Yu;加利福尼亞大學勞倫斯伯克利國家實驗室(Berkeley/Lawrence Berkeley National LaboratoryNitash Balsara;美國陸軍研究實驗室(U.S. Army Research LaboratoryOleg Borodin;伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校(University of Illinois at UrbanaChampaignAndrew Gewirth;桑迪亞國家實驗室(Sandia National LaboratoriesNathan Hahn;圣母大學(University of Notre DameEdward Maginn;加利福尼亞大學勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory/University of California, BerkeleyKristin Persson;阿爾貢儲能科學合作中心(Argonne Collaborative Center for Energy Storage ScienceVenkat Srinivasan;科羅拉多大學博爾德分校(University of Colorado, BoulderMichael Toney;美國陸軍研究實驗室(U.S. Army Research LaboratoryKang Xu;桑迪亞國家實驗室(Sandia National LaboratoriesKevin Zavadil。

    中國化學與物理電源行業協會 楊柳翻譯

    2022.5.13

     
    關于我們:中國化學與物理電源行業協會(China Industrial Association of Power Sources,縮寫:CIAPS) 是由電池行業企(事)業單位自愿組成的全國性、行業性、非營利性的社會組織。協會成立于1989年12月,現有530多家會員單位,下設堿性蓄電池與新型化學電源分會、酸性蓄電池分會、鋰電池分會、太陽能光伏分會、干電池工作委員會、電源配件分會、移動電源分會、儲能應用分會、動力電池應用分會和電池隔膜分會等十個分支機構。
    本會專業范圍包括:鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、氫鎳蓄電池、鋅錳堿錳電池、鋰一次電池、鋰離子電池、太陽電池、燃料電池、鋅銀電池、熱電池、超級電容器、溫差發電器及其他各種新型電池、電池系統解決方案,以及各類電池用原材料、零配件、生產設備、測試儀器和電池管理系統等。

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