據報道,美國佛羅里達州立大學(xué)(Florida State University)和康奈爾大學(xué)(Cornell University research)研究小組發(fā)現,用廉價(jià)而安全的組件可以制成電池,而且與現在最先進(jìn)的鋰離子電池相比,此類(lèi)電池的效率要高出2至3倍。
FAMU-FSU工程學(xué)院博士后研究院A。 Nijamudheen與康奈爾大學(xué)博士生Snehashis Choudhury,以及兩所大學(xué)的其他教職人員一起,開(kāi)啟了一項調查,研究目前的電池設計存在什么缺陷,以及如何改進(jìn)。Choudhury表示:“看到電池成本隨時(shí)間上漲的現象并不奇怪,廣泛采用電池的技術(shù)需要降低成本。”
為降低成本,研究人員解決了幾個(gè)與電解質(zhì)相關(guān)的具體問(wèn)題,電解質(zhì)是電池結構的關(guān)鍵部分,可以促進(jìn)離子從一個(gè)電極移動(dòng)至另一個(gè)電極。研究小組了解了電解質(zhì)在電池電極上降解的化學(xué)過(guò)程,研究人員不僅發(fā)現了電解質(zhì)降解的機制,還發(fā)現了多種解決方法。Nijamudheen表示:“我們發(fā)現,控制在負極上形成的界面(SEI)的離子特性是關(guān)鍵。”
研究人員通過(guò)量子計算發(fā)現,電池降解的源頭在于電解質(zhì)中一種叫做二甘醇的成分發(fā)生聚合的方式。聚合是一種分子以化學(xué)方式結合,產(chǎn)生一種叫做聚合物的長(cháng)鏈狀分子的過(guò)程。就電池而言,電解質(zhì)在與電池的正負極接觸時(shí)間長(cháng)了之后,常常會(huì )分裂并重新成為更大的分子。研究人員表示:“雖然降解過(guò)程本身無(wú)害,但是降解產(chǎn)生的物質(zhì)會(huì )阻止離子進(jìn)入電池電極,隨著(zhù)時(shí)間推移,就會(huì )減少電池所能存儲的能量。”但是,盡管降解過(guò)程產(chǎn)生的某些聚合物會(huì )阻止離子達到電極,但是已有證據證明,其他種類(lèi)的聚合物能夠有效延長(cháng)電池壽命。在進(jìn)行聚合計算之后,研究人員開(kāi)始研究聚合過(guò)程中,不會(huì )影響電池性能的其他類(lèi)型的電解質(zhì)。
一般來(lái)說(shuō),鋰電池由有機碳酸鹽電解質(zhì)制成,但是此類(lèi)電解質(zhì)高度易燃,所以為防止電池熱失控和火災風(fēng)險,還需要提供昂貴的、冷卻熱調節部件。因此,研究人員測試了一種不易燃的穩定電解質(zhì) – 鋰硝酸鹽電解質(zhì)。
利用該電解質(zhì),研究人開(kāi)始在固態(tài)電解質(zhì)SEI膜上進(jìn)行試驗。SEI膜是由于電解質(zhì)分解而形成的一層保護層,通常在電池首次循環(huán)時(shí)產(chǎn)生。
研究人員利用犧牲鹽或通過(guò)電解質(zhì)引入的新分子,在電池中自然形成了一種新型SEI膜,此外,研究人還引入了鏈轉移劑(一串分子),與二甘醇相互作用,形成屏蔽層,保護帶負電荷的電極不再降解。
為評估該設計的有效性,研究團隊對電池的使用能力進(jìn)行了一系列實(shí)驗,然后再給電池充電。結果發(fā)現,此種電池可以循環(huán)大約2000次,遠高于傳統鋰離子電池的300至500次。