改變微結(jié)構(gòu)可改善基于有機(jī)的固態(tài)鋰 EV 電池

迄今為止，只有 2% 的車輛實(shí)現(xiàn)了電氣化，但預(yù)計(jì)到 2030 年這一比例將達(dá)到 30%。

提高電動(dòng)汽車 (EV) 商業(yè)化的關(guān)鍵是提高它們的重量能量密度——以每公斤瓦時(shí)為單位——使用更安全的，易于回收的材料豐富。與現(xiàn)有的選擇（例如 240 Wh/kg 的石墨）相比，陽極中的鋰金屬被認(rèn)為是提高 EV 電池能量密度的“圣杯”，以達(dá)到更具競爭力的 500 Wh/kg 能量密度。

休斯頓大學(xué)卡倫工程學(xué)院電子與計(jì)算機(jī)工程系卡倫教授 Yan Yao 和休斯敦大學(xué)博士后 Jibo Zhang 正在與萊斯大學(xué)的同事一起迎接這一挑戰(zhàn)

在6月17日發(fā)表在《Joule》雜志上的一篇論文中，Zhang, Yao和他們的團(tuán)隊(duì)證明了通過使用溶劑輔助過程來改變電極微結(jié)構(gòu)，有機(jī)固態(tài)鋰電池的能量密度提高了兩倍。

美國密歇根大學(xué)的陳朝陽、郝芳、梁艷亮、艾青、美國萊斯大學(xué)的唐基·特里爾、郭華、婁軍共同撰寫了論文。

通過顯著提高活性材料的利用率，溶劑輔助微結(jié)構(gòu)將電極能量密度提高到 300 Wh/kg，而干混微結(jié)構(gòu)的能量密度略低于 180 Wh/kg。圖片來源：休斯頓大學(xué)

“我們正在開發(fā)低成本、地球豐富、無鈷的有機(jī)陰極材料，用于固態(tài)電池，將不再需要在礦山中發(fā)現(xiàn)的稀有過渡金屬，”Yao說。“這項(xiàng)研究在使用這種更可持續(xù)的替代能源提高電動(dòng)汽車電池能量密度方面向前邁進(jìn)了一步?！?Yao 也是德州大學(xué)超導(dǎo)中心(TcSUH)的首席研究員。

任何電池都包括一個(gè)陽極（也稱為負(fù)極）和一個(gè)陰極（也稱為正極），它們?cè)陔姵刂杏啥嗫啄じ糸_。鋰離子流過離子導(dǎo)體——一種電解質(zhì)，它允許電子充電和放電，從而產(chǎn)生電力，例如，一輛汽車。

電解質(zhì)通常是液體，但這不是必需的——它們也可以是固體，這是一個(gè)相對(duì)較新的概念。這種新型電池與鋰-金屬陽極相結(jié)合，可以防止短路，提高能量密度，并加快充電速度。

陰極通常決定電池的容量和電壓，由于使用鈷等稀有材料，陰極隨后成為電池中最昂貴的部分——到 2030 年將達(dá)到 65,000 噸的缺口。鈷基陰極由于其優(yōu)異的性能，幾乎專門用于固態(tài)電池；直到最近，有機(jī)化合物鋰電池 (OBEM-Li) 才成為一種更豐富、更清潔、更易于回收的替代品。

“在美國，人們對(duì)鋰離子電池的供應(yīng)鏈有很大的擔(dān)憂，”Yao說。“在這項(xiàng)工作中，我們展示了通過用從煉油廠或生物煉油廠獲得的有機(jī)材料，替換基于過渡金屬的陰極來構(gòu)建高能量密度鋰電池的可能性，這兩者都是美國擁有世界上最大的產(chǎn)能?！?/p>

鈷基陰極可以產(chǎn)生800 Wh/kg的材料級(jí)比能量，或電壓乘以容量，OBEM-Li電池也是如此，該團(tuán)隊(duì)在早期的論文中首次證明了這一點(diǎn)，但之前的OBEM-Li電池由于非理想的陰極微結(jié)構(gòu)，只能使用低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的活性材料。這限制了總能量密度。

Yao 和 Zhang 揭示了如何通過優(yōu)化陰極微觀結(jié)構(gòu)以改善陰極內(nèi)的離子傳輸來提高 OBEM-Li 電池的電極級(jí)能量密度。為了做到這一點(diǎn)，我們使用了一種常見的溶劑——乙醇來改變微結(jié)構(gòu)。使用的有機(jī)陰極是芘-4,5,9,10-四酮或PTO。

“鈷基陰極通常受到青睞，因?yàn)槠湮⒂^結(jié)構(gòu)自然是理想的，但在有機(jī)基固態(tài)電池中形成理想的微觀結(jié)構(gòu)更具挑戰(zhàn)性，”Zhang說。

在電極層面上，通過顯著提高活性材料的利用率，溶劑輔助微結(jié)構(gòu)的能量密度提高到300 Wh/kg，而干混合微結(jié)構(gòu)的能量密度略低于180 Wh/kg。以前，活性物質(zhì)的量可以增加，但利用率仍然很低，接近50%。在Zhang的貢獻(xiàn)下，利用率提高到98%，能量密度也隨之提高。

“最初我正在檢查 PTO 的化學(xué)性質(zhì)，我知道它會(huì)氧化硫化物電解質(zhì)，”Zhang說?！斑@引發(fā)了關(guān)于我們?nèi)绾文軌蚶眠@種反應(yīng)的討論。我們與萊斯大學(xué)的同事一起研究了陰極-固體電解質(zhì)界面的化學(xué)成分、空間分布和電化學(xué)可逆性，這可以為我們提供線索，解釋為什么電池可以如此良好地循環(huán)，而沒有容量衰減，”Zhang說。

在過去十年中，電動(dòng)汽車電池的成本下降到其原始成本的近 10%，使其具有商業(yè)可行性。所以，十年內(nèi)可以發(fā)生很多事情。這項(xiàng)研究是朝著更可持續(xù)的電動(dòng)汽車邁出的關(guān)鍵一步，也是未來十年研究的跳板。按照這個(gè)速度，也許就像委婉的字面意思一樣，另一邊的未來看起來要綠色得多。

文章來源：ednchina

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