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声称设计“近乎完美”,锂硫电池隔离膜获突破

2024-11-24 206


虽然只闻其声不见其人,但由于锂硫电池理论储电容量是锂离子电池的 5 倍以上,科学家们还是持续关注并期待它的发展,现在美国密歇根大学研发出全新的锂硫电池隔离膜,认为这项设计可以说是“近乎完美”,快充状态下充放电次数仍可以破千。

电池寿命跟电池充放电次数有关,随着使用次数增加,电池容量会正常衰减,通常经过 500 次的充放电循环后,电池容量仍可维持在标准的 80% 以上,不过正在开发中的锂硫电池,使用寿命可没有那么长。

团队负责人 Nicholas Kotov 表示,过去许多研究称锂硫电池充放电次数达好几百次,但这个成就是从容电、充电率、韧性与安全性换来的,因此现在要挑战制造出满足成本等条件,且让充放电循环从 10 增加到数百。

密歇根大学团队主要从电池隔离膜着手,其中锂硫电池结构跟锂离子电池相似,主要由两个电极,电极之间的电解质与隔离膜组成,离子首先会从阴极(正极)出发,经过电解质与隔离膜最后抵达阳极(负极),另一方面,也都会遇到锂晶枝问题,且化学反应产生的副产物多硫化物容易回到锂电极,阻碍锂离子移动,进一步降低电池的充电容量以及寿命。

(Source:密歇根大学)

为此团队改用芳香聚酰胺(芳纶)奈米纤维,把这种类似 Kevlar 奈米级版本的纤维塑造成电池结构网络,最后再注入电解质凝胶,希望能防止电极生长晶枝,且团队也打造出许多微小、添加些许电荷的仿生通道,让带正电的锂离子可以自由流动。

论文第一作者 Ahmet Emre 一言以蔽之,就是为锂离子建置一条高速公路,并设下检查站让多硫化物没办法通过。

 

(Source:密歇根大学)

Kotov 认为离子选择电池设计成就近乎完美的锂硫电池,指出该设备的效率接近理论极限,容量更是标准锂离子电池的 5 倍,如果套用到当今的快充环境,充放电次数也可以达到 1,000 次,也有着长达十年的使用寿命。

以电池制程方面来说,硫的地壳含量也比锂离子电池的钴还要多,较不会出现资源枯竭问题;也可以从汰换的防弹背心获得芳纶,让制程更加环保。Kotov 认为,电池的仿生工程同时整合分子和奈米尺度,并首次整合离子选择隔离膜与结构韧性,才得以应对锂硫电池的各种挑战。

  • Kevlar fibers fortify lithium-sulfur battery with 5x capacity of Li-ion
  • 1,000-cycle lithium-sulfur battery could quintuple electric vehicle ranges

(首图来源:shutterstock)

2022-01-18 13:00:00

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