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锂金属电池突围有望?关键在于牙膏中的一种成分“氟化钠”

   2023-09-07 财联社33011
核心提示:“超越锂离子电池的新一代电动汽车电池即将问世。”

众所周知,许多牙膏都含有氟化钠,这种氟化合物可以防止蛀牙。然而,含氟化合物还有其他意想不到的应用。近期,美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的研究人员发现了一种氟化物电解质,有助于防止电池性能减退。

阿贡国家实验室化学科学与工程部门的负责人John Zhang说,“超越锂离子电池的新一代电动汽车电池即将问世。”

据了解,在给定的体积或重量下,非锂离子电池的化学成分提供的能量,是锂离子电池的两倍或更多。它们可以为汽车提供更长距离的动力,甚至有一天可以为长途卡车和飞机提供动力。

人们期望这类电池的广泛使用将有助于解决气候变化问题。然而,这些电池也面临着一些瓶颈丞待解决,主要包括:随着反复充放电,其高能量密度会迅速下降。

其中一个主要的竞争者是用锂金属制成的阳极(负极)来代替锂离子电池中通常使用的石墨。因此它被称为“锂金属”电池。阴极(正极)是一种含有镍、锰和钴(NMC)的金属氧化物。虽然它提供的能量密度是锂离子电池的两倍多,但这种出色的性能在不到100次充放电循环内就会迅速消失。

在最新研究中,科学家们在这方面取得了突破。该团队的解决方案涉及改变电解质,锂离子通过这种液体在阴极和阳极之间移动来实现充放电。最新研究成果已于近期发表在了《自然通讯》杂志上。

在锂金属电池中,电解质是一种由溶解在溶剂中的含锂盐组成的液体。短循环寿命问题的根源在于,在最初的几个循环中,电解液没有在阳极表面形成足够的保护层。这一层也被称为固体电解质界面(SEI),它的作用就像一个守护者,允许锂离子自由进出阳极,分别为电池充电和放电。

该团队发现了一种新的氟化物溶剂,可以在数百次循环中保持坚固的保护层。它将带正电的氟化组分(阳离子)与带负电的不同氟化组分(阴离子)偶联。这种组合就是科学家们所说的离子液体——一种由正离子和负离子组成的液体。

Zhang说:“我们新电解质的关键区别在于,在离子液体阳离子部分的环状结构中,氟取代了氢原子。这对于保持数百次循环的高性能至关重要。”

研究人员们还表示,他们能够调整氟溶剂与锂盐的比例,以创建具有最佳性能的镀层,包括SEI厚度,既不太厚也不太薄。多亏了这一保护层,锂离子可以在充电和放电过程中有效地进出电极数百次循环。

此外,该团队的新电解质还有许多其他优点。它的成本很低,因为它只需一个简单的步骤,而不是多个步骤。它是环保的,因为它使用的溶剂少得多,溶剂是挥发性的,会将污染物释放到环境中。而且它更安全,因为它不易燃。

“使用我们的氟化阳离子电解质的锂金属电池可以大大促进电动汽车行业,”Zhang说,“毫无疑问,这种电解质的实用性可以扩展到锂离子电池以外的其他类型的先进电池系统。”

 
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