据密歇根大学的研究人员称,锂金属电池的容量是目前标准锂离子电池容量的两倍,可以利用目前锂离子电池的大部分制造过程来制造。他们的发现是美国能源部支持的一个项目的一部分,为汽车制造商在电动汽车(ev)储能技术的下一个重大变革中排除了一个主要障碍。

目前,作为电动汽车的主要动力来源,锂离子电池的化学特性在比能量方面已接近顶峰。它还继续存在与机载火灾有关的问题。“无阳极”锂金属电池可能为电动汽车提供电池技术的下一个飞跃,电动汽车正在越来越多地取代道路上的内燃机汽车和卡车。新的生产技术为汽车制造商带来了潜在的成本节约。

由密歇根大学机械工程副教授杰夫·坂本领导的一个研究小组此前证明,使用锂金属阳极制成的电池可以安全地使使用石墨阳极的同等大小的锂离子电池的输出量增加一倍。为了做到这一点,团队利用了李73.Zr2O12一种被称为LLZO的固态电解质,可以替代商业电池中的液体电解质。

但金属锂活性较弱,很难处理和集成到电池中,尤其是使用最先进的制造设备。U-M的团队已经找到了一种变通方法,基本上可以让电池“自己制造”。他们的方法利用了普通正极材料中已经存在的锂。当电池第一次充电时,电池阴极上的锂离子被提取出来并移动到电池的阳极上——有效地合成了锂金属阳极。

密歇根大学材料科学与工程博士研究生Michael Wang用手套箱检查锂金属电池。(密歇根州立大学)

“因为我们可以使用电化学来制造电池‘建造’自己的锂金属阳极,我们可以完全省去制造过程中的这一步。因此,我们可以生产最初的‘无阳极’电池,”坂本说。

在20世纪80年代,使用液体电解质的可充电锂金属电池被认为是下一个大事件,它在早期的便携式手机中渗透了市场。但它们在充电时燃烧的倾向导致工程师向不同的方向发展。在电极之间穿梭的锂原子倾向于在电极表面形成树状的纤维,称为树突,最终导致电池短路并点燃可燃电解质。锂离子电池——一种更稳定但能量密度更低的技术——于1991年推出,并迅速成为新标准。

通过从锂离子的三组分配方中去除一种关键成分——阳极,U-M的生产方法可能会降低制造成本。这一过程可以通过目前的锂离子电池生产来完成,这意味着电动汽车制造商可以采用U-M的技术,而不必完全重新安装他们的设备。

坂本说:“锂离子电池领域已经有大量资本投资。”“所以,如果有人想用一种新型电池来取代目前的锂离子电池,那就需要一种完全不同的制造方法,而且需要大量的投资。

他补充说:“试图取代现有的电池技术,需要在性能、安全性和成本方面有显著的改进——这是三方面的。”“在这项研究中,我们专注于通过简化电池的制造过程来降低成本,使用的是“圣杯”阳极——金属锂。我们希望这项工作的成果能够大幅降低电池成本,使电动汽车的成本与内燃机驱动的汽车持平。当这种情况发生时,电动汽车有望很快被广泛采用。”

U-M的技术带来的潜在成本节约也可能延伸到消费者和政府。的一个主要障碍更广泛采用的电动汽车充电站的数量不足是当前美国地区没有大量的汽车交通不太可能为充电提供尽可能多的选择,使他们不太欢迎电动汽车,导致行业所谓“里程焦虑”。

坂本认为,通过将电动汽车一次充电的行驶里程提高一倍,U-M的电池技术可以通过减少所需充电站的数量来缓解人们的焦虑。

本文由研究新闻和专题作者詹姆斯·林奇撰写密歇根州的工程,由密歇根大学安娜堡分校出版。联络林奇先生(电话:此电子邮件地址正在受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用JavaScript来查看它。


电池技术杂志

本文首次发表于《华尔街日报》2021年5月号电池技术杂志。

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