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“混合”正极可以为给定的重量和体积提供更多的功率

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-03-29  来源:SD

分子图显示了硫化钼的结构,硫化钼是用于制造锂 - 硫电池的新型正极的材料之一。
    全球各地的研究人员一直致力于寻求能够比现在更小更轻的电池,这可能使电动汽车能够进一步行驶或便携式电子设备运行更长时间而无需充电。现在,麻省理工学院和中国的研究人员表示,他们已经在这一领域取得了重大进展,推出了一种新型的锂电池关键部件 - 正极。

    该团队将他们的概念描述为“混合”正极,因为它结合了以前使用的两种不同方法的方面,一种是增加每磅能量输出(重量能量密度),另一种是每升能量(体积能量)密度)。他们说,这种协同组合产生了一种既能提供两者优势又能提供更多优势的产品。

    这项工作今天在“ 自然能源 ”杂志上发表,该论文由麻省理工学院核科学与工程和材料科学与工程教授朱莉撰写。薛伟江,麻省理工学院博士后; 还有13个人。

    今天的锂离子电池倾向于使用由过渡金属氧化物制成的正极(电池中的两个电极之一),但是具有由硫制成的正极的电池被认为是减轻重量的有前途的替代品。今天,锂硫电池的设计者面临着权衡。

    这种电池的正极通常以两种方式之一制成,称为插层类型或转换类型。使用诸如钴酸锂之类的化合物的插层类型提供高体积能量密度 - 由于其高密度,每体积包装大量冲头。这些正极可以保持它们的结构和尺寸,同时将锂原子结合到它们的晶体结构中。

    另一种称为转换型的正极方法使用在结构上转化的硫,甚至暂时溶解在电解质中。“从理论上讲,这些[电池]具有非常好的重量能量密度,”Li说。“但体积密度低,”部分原因是它们往往需要大量额外的材料,包括过量的电解质和碳,用于提供导电性。

    在他们的新混合系统中,研究人员已经设法将这两种方法结合到一个新的正极中,该正极结合了一种叫做Chevrel相的硫化钼和纯硫,它们共同提供了两者的最佳方面。他们使用这两种材料的颗粒并压缩它们以制造固体正极。“它就像底漆和TNT一样是爆炸性的,一种速效的,一种是每重量能量更高的一种,”Li说。

    Li说,除了其他优点之外,组合材料的导电性相对较高,因此减少了对碳的需求并降低了总体积。他说,典型的硫正极由20%至30%的碳组成,但新版本仅需要10%的碳。

    使用新材料的净效果是巨大的。今天的商用锂离子电池的能量密度约为每千克250wh和每升700wh,而锂硫电池最高可达每千克400瓦时,但每升只有400瓦时。Li说,新版本的初始版本尚未通过优化过程,已经达到每公斤超过360瓦时和每升581瓦时。就这些能量密度的组合而言,它可以击败锂离子电池和锂硫电池。

    他说,通过进一步的工作,“我们认为我们可以达到每公斤400瓦时和每升700瓦时”,后者的数字与锂离子相当。该团队已经比许多旨在开发大型电池原型的实验室实验更进一步:他们不再测试容量仅为几毫安时的小型纽扣电池,而是生产了一种三层袋式电池(标准)用于电动车等产品的电池子单元,容量超过1,000毫安时。这与一些商用电池相当,表明新设备确实符合其预测的特性。

    到目前为止,新电池在失去太多功率有用之前,在充电 - 放电循环次数方面无法满足锂离子电池的使用寿命。但这种限制“不是正极的问题”; 它与整体电池设计有关,“我们正在努力,”Li说。即使在目前的早期形式中,“这对于一些小众应用也很有用,例如远程无人机”,其中重量和体积都比长寿更重要。

    “我认为这是一个新的研究领域,”Li说。
 
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