新型固体材料可替代电池中的易燃液体电解质

盖世汽车网 发表于 2020-09-25 10:21:10 收藏 已收藏
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新型固体材料可替代电池中的易燃液体电解质

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  新型固体电解质提高电池的能量密度和安全性。

  据外媒报道,斯坦福大学(StanfordUniversity)的科学家发现了一种新型固体材料,可以替代锂离子电池中的易燃液体电解质。据介绍,这种由锂、硼和硫制成的低成本材料,可以提高电动汽车、笔记本电脑等电池驱动设备的安全性和性能。

  “典型的锂离子电池拥有两个固体电极,中间是高度易燃的液体电解质,”主要研究人员、斯坦福大学材料科学与工程系的访问学者AustinSendek表示,“我们的目标是设计稳定、低成本的固态电解质,同时增加电池的功率和能量输出。”

  有前景的材料

  在电池充放电过程中,锂离子通过电解质在正负极之间穿梭。大多数锂离子电池使用的是液体电解质,如果电池被击穿或短路,电解质就会燃烧。与之相反,固体电解质很少着火,而且可能更有效。

  “固体电解质更安全、更持久、能量密度更高,有望成为液体电解质的替代品。”主要研究人员、材料科学与工程系副教授EvanReed称,“然而,要发现适用于固体电解质的合适材料,仍然是巨大的工程挑战。”

  目前使用的大多数固体电解质都非常不稳定、效率低、价格昂贵,不具有商业可行性。Sendek说:“传统固体电解质无法像液体电解质那样,传导那么多的离子电流。一旦与电池电极接触,通常情况下,它们会发生降解。”

  机器学习

  2016年,为了找到可靠的固体电解质,Sendek及其同事训练了一种计算机算法,筛选材料数据库中的12000多种含锂化合物。该算法在几分钟之内就识别出了大约20种有前景的材料,其中包括四种少见的由锂、硼和硫组成的化合物。

  在目前的研究中,研究人员利用一种名为密度泛函理论的技术,对这四种化合物进行了更仔细的观察,这种技术可以模拟材料在原子层面上的行为。

  结果喜人

  当前研究表明,锂-硼-硫电解质的稳定性大约是主流固体电解质的两倍。在电动汽车中,这意味着续航里程可能更长,因为电池的稳定性会影响其单位重量可以存储的能量,即能量密度。

  Sendek称:“特斯拉和其它电动汽车一次充电可以行驶250至300英里。但是,如果使用固体电解质,则有可能使锂离子电池的能量密度增加一倍,并使该续航里程超过500英里,甚至可以开始考虑电动飞行。”

  从化学意义上来说,常规固体电解质发生降解时,会从良导体转化为不良导体,导致电池停止工作。研究预测,当混合在一起时,这四种锂-硼-硫化合物即使分解,也能继续起作用。Sendek指出:“这四种化合物在化学上都是相似的。因此,当混合物分解时,每种化合物都可能从一种良导体转变为另一种良导体。因此,这些材料可以经受数次降解循环,才分解成不良导体,最终导致电池失效。”

  研究还预测,在传导锂离子方面,比起用昂贵的锗制造的固态电解质,锂-硼-硫材料的某些相可能要超出三倍。Sendek表示:“如果获得良好的离子电导率,则可以使更多的电流从电池中流出,从而得到更大的动力来为汽车加速。”

  目前某些最好的固体电解质是用稀有元素制成的,例如锗,一公斤的价格约为500美元。而锂、硼和硫是储量丰富的化学物质,价格为每公斤26美元。

  金属锂

  发现一种可行的固态电解质,也将促进锂金属电池的发展。这种电池能量密度高、重量轻,是电动汽车的理想选择。

  大多数锂离子电池采用的是石墨负极,而在锂金属电池中,石墨被金属锂取代,每公斤金属锂可以存储更多的电量。“锂金属堪称是电池研究的圣杯,”Sendek说,“但是,在运行过程中,锂金属电极有可能会发生内部短路,液体电解质对此无能为力。固体电解质似乎是我们克服这个问题的绝佳机会,其中锂-硼-硫电解质是很有前景的候选者。”

  研究路线图

  此项研究为今后的研究提供了理论路线图,下一步是合成四种锂-硼-硫材料,并在电池中进行测试。“在实验室里制作这些材料可能相当困难,”Sendek说,“作为理论学家,我们的工作是给实验人员指出有希望的材料,让他们看到这些材料在真实设备中是如何表现的。”

  Reed补充,通过人工智能和机器学习,从成千上万的候选材料中识别出这些有前途的材料,已经证明是可行的。他说:“到目前为止,大多数新材料的发现,都是通过反复的实验来摸索完成的。我们的研究结果表示,机器学习方法在材料化学中取得了成功,这令人兴奋。”

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