斯坦福大学发明新型电池电解液，可提高电动汽车的行驶里程
时间:2020-06-28 09:59来源:电气新科技 作者:综合报道
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左侧为常规电解质，右侧为新型电解质
斯坦福大学的研究人员已经为锂金属电池设计了一种新的电解质，可以增加电动汽车的续驶里程。
在6月22日发表于《自然能源》上的一项研究中，斯坦福大学的研究人员展示了他们新颖的电解质如何提高锂金属电池的性能，这是一种为电动汽车、笔记本电脑和其他设备供电的前沿技术。
该研究的合作者，SLAC国家加速器实验室的崔教授表示，“大多数电动汽车都使用锂离子电池，而锂离子电池正在迅速接近其能量密度的理论极限 。我们的研究重点是锂金属电池，它比锂离子电池更轻，并且每单位重量和体积都可以提供更多的电能。”
锂离子与金属锂
从智能手机到电动汽车，锂离子电池都有两个电极——一个带锂的带正电的阴极和一个通常由石墨制成的带负电的阳极。当使用电池并对其进行充电时，电解质溶液可使锂离子在阳极和阴极之间来回穿梭。
锂金属电池每千克可容纳的电量是当今常规锂离子电池的两倍。这是由于锂金属电池用锂金属代替了石墨阳极。
该研究的合作者之一，KK 学院工程学教授李振安表示，“锂金属电池在电动汽车行业的应用前景非常光明，但是在运行过程中，锂金属阳极会与液体电解质发生反应。这会导致在阳极表面上生长出称为树枝状晶体的锂微结构，这可能导致电池着火并发生故障。”研究人员花了数十年的时间来尝试解决枝晶问题。
“电解质一直是锂金属电池的致命弱点，”化学研究的共同主要作者余志高说。“在研究中，我们使用有机化学来合理设计和制造这些电池的新型、稳定的电解质。”
新电解质
在这项研究中，余志高和他的同事们探索了是否可以使用常见的液体电解质来解决稳定性问题。
余志高说：“我们假设在电解质分子上添加氟原子会使液体更稳定。氟是锂电池电解液中广泛使用的元素。我们利用其吸引电子的能力创建了一个新分子，使锂金属阳极在电解质中发挥良好的作用。”
其研究结果是一种易于合成的新型合成化合物，缩写为FDMB。科研人员指出，FDMB分子易于大量制造且价格便宜。
“难以置信的表现”
斯坦福大学研究小组测试了锂金属电池中的新电解质。结果是惊人的。在420次充放电循环后，实验电池保留了其初始电量的90％。在实验室中，典型的锂金属电池会在大约30个循环后停止工作。
研究人员还测量了锂离子在充电和放电过程中在阳极和阴极之间传输的效率，这种特性称为“库仑效率”。在研究中，半电池中有99.52％，全电池中有99.98％，其优异性能表现得令人难以置信。
无阳极电池
为了研究在消费类电子产品中的应用前景，斯坦福大学的研究小组还测试了无阳极锂金属袋式电池中的FDMB电解质，该电池是市面上销售的带有阴极的电池，可为阳极提供锂。
材料科学与工程专业的研究生合著者汉森·王（Hansen Wang）说：“我们的思路是仅在阴极侧使用锂来减轻重量。无阳极电池在其容量下降到80％之前运行了100个循环，这比不上同等的锂离子电池，后者可以持续500到1000个循环，但仍然是性能最好的无阳极电池之一。这些研究结果显示出有望用于多种设备，轻巧、无阳极的电池对无人机和许多其他消费电子产品来说，很有吸引力。”
电池500
美国能源部正在资助一个名为电池500的大型研究联盟，以使锂金属电池可行，这将使汽车制造商可以制造出重量更轻的电动汽车。这项研究得到了包括斯坦福大学和SLAC在内的财团的部分资助。
通过改进阳极、电解质和其他组件，电池500的目标是使锂金属电池可提供的电量增加三倍，从该计划于2016年开始时的每千克约180瓦时到每千克500瓦时。更高的能量重量比是解决电动汽车“里程焦虑症”的关键。
崔教授指出，“我们实验室的无阳极电池每千克比能达到约325瓦时，这是一个可观的数字。我们下一步是与电池500中的其他研究人员合作，以构建达到500瓦时/千克的电池。”
除了更长的循环寿命和更好的稳定性外，FDMB电解液的可燃性也远低于传统电解液 。“我们的研究基本上提供了一种设计原则，人们可以应用它来设计更好的电解质，”研究人员最后表示。
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