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        全新熔體滲透技術(shù):可使電動(dòng)汽車固態(tài)電池成本降低、快速生產(chǎn)

        2021-04-16 11:18:07
        海外星云 2021年2期
        關(guān)鍵詞:理工學(xué)院攝氏度熔體

        近日,美國(guó)喬治亞理工學(xué)院材料研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種新的熔體滲透技術(shù),在這種技術(shù)的作用下,固態(tài)汽車鋰離子電池能夠和傳統(tǒng)液體電解質(zhì)制備的電池用同樣的生產(chǎn)工藝生產(chǎn)。

        該技術(shù)采用不易燃的陶瓷電解質(zhì),能滲透到多孔、緊密堆積的熱穩(wěn)定電極中??稍跊](méi)有壓力的情況下,將包括多層電極隔板堆在內(nèi)的熔融固體電解質(zhì)滲透到多孔體中,進(jìn)而生產(chǎn)高密度的復(fù)合材料。

        該研究成果以《電解質(zhì)熔體滲透技術(shù)可擴(kuò)展制造無(wú)機(jī)全固態(tài)鋰離子電池》為題,發(fā)表在雜志上,美國(guó)佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院教授Gleb Yushin教授是該論文的通訊作者。

        眾所周知,全固態(tài)鋰(Li)金屬及鋰離子電池(ASSLB)因其無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)為電動(dòng)汽車和其他應(yīng)用提供了更高的安全性。然而,如今的無(wú)機(jī)ASSLB制造技術(shù)有成本過(guò)高的缺點(diǎn),過(guò)量的固態(tài)電解質(zhì)及導(dǎo)電的添加劑會(huì)造成低體積能量密度。因此,研發(fā)一種能降低固體電池的生產(chǎn)成本又能提高體積能量密度的制備技術(shù)迫在眉睫。

        在該項(xiàng)研究中,研究人員采用了使用液體電解質(zhì)的低成本鋰離子電池制造工藝,不但使用低熔點(diǎn)固態(tài)電解質(zhì),而且在中等溫度(300攝氏度或更低)下呈液態(tài)滲入致密、熱穩(wěn)定的電極中,之后在冷卻過(guò)程中凝固。

        該節(jié)能方法用于用LiNi制備無(wú)機(jī)ASSLB,這大大減少了行業(yè)采用的障礙。因此,利用該技術(shù)制備了LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2正極與Li4Ti5O12和石墨負(fù)極的無(wú)機(jī)ASSLBs,這為ASSLBs早日實(shí)現(xiàn)商業(yè)化加速了進(jìn)程。

        Gleb Yushin解釋說(shuō):“雖然傳統(tǒng)的固態(tài)電解質(zhì)的熔點(diǎn)范圍可以從700攝氏度到1000攝氏度以上,但我們?cè)谳^低的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行,具體取決于電解質(zhì)的成分,大約為200攝氏度到300攝氏度,它們?cè)谳^低的溫度下,制造得更快、更容易。并且在低溫下,聚合物粘合劑或膠水在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)電極組件可以保持穩(wěn)定?!?/p>

        該技術(shù)可以在大型汽車鋰離子電池中使用,它與傳統(tǒng)液體電解質(zhì)電池生產(chǎn)過(guò)程采用相同的制造工藝,但不是使用液體電解質(zhì),而是使用100%固態(tài)不可燃的陶瓷,因而變得更加安全。

        目前該技術(shù)正在申請(qǐng)專利,這種技術(shù)分別從兩方面汲取經(jīng)驗(yàn)——液體電解質(zhì)的低成本和商用鋰離子電池的制造方法,但在生產(chǎn)過(guò)程中將工藝改為固態(tài)電解質(zhì),其熔點(diǎn)低的特征可使其熔化并滲入致密的電極中。結(jié)果表明,能夠借鑒鋰離子電池已有30多年經(jīng)驗(yàn)的成熟工具以及制備工藝,在此條件下,能夠快速生產(chǎn)、大規(guī)模地制造出高質(zhì)量多層電池,并且任何大小或形狀都可以。

        喬治亞理工學(xué)院的研究生、該論文第一作者Yiran Xiao解釋說(shuō):“熔滲技術(shù)是關(guān)鍵的進(jìn)步。鋰離子電池的循環(huán)壽命和穩(wěn)定性在很大程度上取決于工作條件,尤其是溫度。如果電池長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱,它們通常會(huì)開(kāi)始過(guò)早退化,并且過(guò)熱的電池可能著火。這促使幾乎所有電動(dòng)汽車(EV)都配備了復(fù)雜且昂貴的冷卻系統(tǒng)。相比之下,固態(tài)電池可能只需要加熱器,這比冷卻系統(tǒng)便宜得多。”

        已開(kāi)發(fā)的熔體滲透技術(shù)可與包括所謂轉(zhuǎn)換型電極在內(nèi)的各種化學(xué)材料兼容。目前,這種材料已被證明可將汽車電池的能量密度提高20%以上,在汽車中的能量密度可提高100% 以上?!?佐治亞理工學(xué)院科學(xué)家Kostiantyn Turcheniuk說(shuō)。他指出,“更高密度的電池支持更長(zhǎng)的行駛距離,電池則需要大容量的電極以實(shí)現(xiàn)性能上的飛躍。

        雖然目前佐治亞理工學(xué)院的技術(shù)尚未投入商業(yè)應(yīng)用,但Yushin預(yù)測(cè),“如果未來(lái)電動(dòng)汽車市場(chǎng)將使用固態(tài)電池常態(tài)化,那么這可能是唯一的方法,因?yàn)樗鼘⒃试S制造商使用其現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)施和基礎(chǔ)設(shè)施。這就是我們專注于該項(xiàng)目的原因,這是我們實(shí)驗(yàn)室追求的最具商業(yè)可行性的創(chuàng)新領(lǐng)域之一。”

        據(jù)悉,電池價(jià)格在2020年首次達(dá)到每千瓦時(shí)100美元。Yushin在接受媒體采訪時(shí)表示,“他們必須將價(jià)格降至每千瓦時(shí)70美元以下,才能完全打開(kāi)消費(fèi)者電動(dòng)車市場(chǎng),電池創(chuàng)新對(duì)于這種情況至關(guān)重要??茖W(xué)家們正在研究和優(yōu)化高溫電解液,這種電解液不僅在細(xì)胞中使用的成本高得多,而且種類多達(dá)五種。相較于液態(tài)電解質(zhì),它重了兩倍。”

        目前,該研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)聚焦在是否可以使用相同技術(shù)開(kāi)發(fā)其他熔點(diǎn)較低且電導(dǎo)率較高的電解質(zhì),這種制造工藝的技術(shù)為在該領(lǐng)域進(jìn)行更多創(chuàng)新打開(kāi)了閘門(mén),未來(lái)電池制造商將能夠生產(chǎn)出更輕、更安全、更節(jié)能的電池。

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