专家:锂金属电极瓶颈突破尚需十年光景,但值得期待

2018-02-26 904
摘要:现今锂离子电池普遍以石墨取代锂金属做为电池阳极,但专家知道,如果能使用锂金属,一个锂电池的比能将提高 35%、能量密度提高 50%。不过看看锂金属电池目前的研究状况与未来挑战,美国能源部 ARPA-E 计划负责人 Paul Albertus 认为,这项技术想获得突破至少还要 10 年光景。 《gtm》报导,如果比能(specific energy)提

现今锂离子电池普遍以石墨取代锂金属做为电池阳极,但专家知道,如果能使用锂金属,一个锂电池的比能将提高 35%、能量密度提高 50%。不过看看锂金属电池目前的研究状况与未来挑战,美国能源部 ARPA-E 计划负责人 Paul Albertus 认为,这项技术想获得突破至少还要 10 年光景。

《gtm》报导,如果比能(specific energy)提高 35%、能量密度(energy density)提高 50% 后,相当于电池的重量能量密度达到约 350~400Wh / Kg,体积能量密度约 1,000 Wh / L。目前,锂离子电池组的比能为重量能量密度约 150Wh / Kg,体积能量密度 250Wh / L,而美国能源部对电动车的目标定在 235Wh / Kg、500Wh / L。

树枝状结晶(dendrite)为一种发生在锂电池阳极的严重问题,也是导致锂电池起火爆炸、寿命缩短的元凶,当电池不断循环充放电时,锂金属也不断重复生成、游离,过程中电极与电解质之间会形成固态电解质界面(Solid electrolyte interface,SEI),如果 SEI 不稳定,就会导致锂不均匀分布在阳极上,并开始形成树枝般的结构,一旦树枝延伸碰到对面的阴极便形成短路。

为了避免枝晶形成,商业化锂电池阳极才舍弃金属改用石墨,虽然大大降低了树枝状结晶形成,但电池效率也大打折扣。如果有天锂金属可以正式在阳极站稳脚步,电池将能储存更多能量,并迎来一场历史性的重大革命:电动车充一次电可以驾驶更久、电网有了强而有力的储电后援军,以便部署更多风能和太阳能设施。

近年来,美国能源部 ARPA-E 项目启动了一项名为 IONICS 的储能计划,为锂金属电极领域的早期研究提供补助,具体使用过 ARPA-E 补助金的单位包括 24M、Ionic Materials、PolyPlus Battery Company、爱荷华州立大学等。

隶属于美国能源部的西北太平洋国家实验室(PNNL),则于 2015 年首次找到一种称为六氟磷酸铯(CsPF6)的电解质添加剂,可帮助电池阳极(负极)形成保护膜以防止枝晶形成,提升电池性能,希望为电动车领域打开一条康庄大道。

不过 Albertus 认为,锂金属电极结合固体材料的电解质研究,更能使锂金属电池有朝一日成为锂离子电池继任者,因为最低成本可以降到每千瓦时仅 100 美元,且固态电解质的电池不易燃,操作也更安全。

这月初,中国科学家在美国化学学会的杂志上发布论文,他们以薄层不对称的固体电解质实现了无枝晶生成的锂金属电池,电解质面向阳极的一侧是刚性陶瓷材料,抑制锂阳极的枝晶生长;面向阴极的一侧则由软聚合物制成以达到低电阻界面目标,透过这种不对称固体电解质的设,研究人员希望可在固态电池中获得高能量密度。

对锂金属电极进行研究的企业、政府实验室数量不在话下,但比起其他技术,如将矽用于锂离子电池的阳极,锂金属电极想真正突破瓶颈可能还需要 10 年,但专家相信,一旦成功,电池产业的革命便指日可待。

  • The Promise and Challenge of Scaling Lithium Metal Batteries
  • Defeating Dendrites and Capturing Capacity

(首图来源:pixabay)


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