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联合储能研究中心获得了超越锂电池技术的30多项专利

发布时间:2022/6/7 阅读:2215

          了解由联合储能研究中心(Joint Center for Energy Storage Research)为您带来的新一代储能技术的最新进展。


         锂离子电池如今可能是最流行的技术,然而下一代储能设备可能会比你想象更快出现,新设备将更安全、更持久。


        实现可再生能源电网与长途运输业、水上运输以及航空运输等重型运输脱碳需要对电池进行创新。领导创新的机构包括美国能源部(DOE)联合储能研究中心(JCESR),该中心由DOE的阿贡国家实验室领导。

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JCESR科学家在阿贡国家实验室的电化学实验室合作研发下一代电池。(图片由阿贡国家实验室提供)


        自2013年起,JCESR的研究人员在“超越锂离子”领域发明了更加广泛多样的技术。他们主要专注于液流电池、锂硫电池、多价离子电池以及固态电池,并获得30多项专利,目前均已获得许可。

        

       阿贡材料工程师兼JCESR研究人员Brian Ingram说:“开发的知识产权组合阐述了我们对如何从原子水平上构建可以相互作用的分子,创建稳定性强并且有效的电池级材料的一些基本理解。”


为什么需要超越锂技术?


       所有电池都包含3个部分:阳极,电池的负极;阴极,电池的正极;电解质,一种可以使电流或电荷在阳极与阴极之间流动的化学材料。


       对于锂离子电池来说,当电池启动时,发生化学反应,导致释放出被称为电子的带负电粒子和被称为锂离子的带正电粒子。锂离子通过电解液从阳极移动到阴极。同时,来自阳极的电子穿过一条单独的电路达到阴极,电子的运动产生电流,为设备供电。当这些电池再次充电时,离子和电子回到阳极,准备重新开始循环。

   

       虽然锂离子电池非常有用,但也存在一些缺点。电池需要额外的物理保护来维持安全操作,但生产成本昂贵,并且在使用时长上也会受限。对下一代电池的研究专注于创造新的设计和材料,以克服这些限制,扩大电池的用途。


氧化还原液流电池


       尤其是在电网领域,氧化还原液流电池被认为是超越锂离子电池技术的。与能够在短时间内提供大量能量的锂离子电池相比,液流电池更适合在更长时间内提供较低的能量。


       JCESR的研究揭示了制造液流电池的比现在更具能量密度和效率的方法。在他们的知识产权范围内,专利解决了现有液流电池和一种新兴技术的非水液流电池的一些局限性。


多价离子电池技术


       JCESR的研究人员发现的多价金属电池是另一种新兴技术。与锂相比,多价金属可以实现更高的电荷密度,而锂只能具有一个电荷。


       由镁、钙等多价金属制造的阳极具有与锂相匹配甚至超越锂的能量密度的潜力,而且通常更加丰富,使得阳极的价格更加低廉,更可持续。为了促进这项技术的发展,研究人员仍然需要克服一系列的科学挑战。JCESR的知识产权,尤其解决了在多价电池中制造稳定电解液的相关挑战,这是长期保持性能所必需的。


       Ingram表示:“这个空间中存在的电解质只有在非常狭窄的条件下才稳定。通过JCESR,我们已经做了很多工作来扩大稳定性范围。”


锂硫电池


       在运输方面,锂硫(Li-S)电池是另一种超越锂离子技术的电池,并且已经展示出了巨大潜力。由于锂硫电池的化学性质,以及硫本身价格低廉,且比其他常见的阴极材料(如钴、镍、锰等)丰富,锂硫电池可以以低于传统锂离子技术的成本存储更多能源。然而,目前当锂硫电池放电时,可能会发生意外反应,导致称为多硫化物的材料在电池中积聚,从而缩短其循环寿命。


       JCESR科学家们制定了应对锂硫电池这方面问题,以及限制技术研发的其他挑战材料和工艺。他们的知识产权包括用于防止多硫化物材料在整个电池中扩散的粘合材料专利,以及用于制造硫磺制成的阴极的专利。


       阿贡化学家兼JCESR研究人员Lei Cheng表示:“硫在阴极中的分布是极其重要的。希望硫粒子是小块的,这样可以有更多发生反应的界面。在我们的专利中,我们提出了以一种最大化的增加材料中界面或活性点数量的方式来制造硫的工艺。”


固态电池与锂金属电池


       在延长电动汽车寿命的努力中,世界各地的科学家们都在研究固态电池。这些电池使用的是不易燃的固态电解质,可以取代传统电池中易燃的液体电解液。


        通过更换液体电解液,使固态电池的稳定性更高,因此安全性更高。特别是一种固态锂金属电池,具有高能量密度,与目前的汽车上使用的锂离子电池相比,可以实现更大的续航里程以及更快的充电速度。


       尽管固态锂金属电池具有潜力,但会形成一种称为锂针状枝晶的分支,这会使电池寿命与安全性都受到限制。在他们的知识产权中,JCESR研究人员为他们的阳极提供了一种专利涂层,可以抑制树枝晶的形成。此外,他们还开发了新的工艺和电池设计,以提高效率并延长寿命。总的来说,这项工作和他们在“超越锂离子”领域展示了未来几十年改善储能的激动人心的机会。




中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译


2022.6.2