目前,全世界的科学家和工业界都在探索利用锂离子电池为电动汽车甚至航天飞机提供动力,因此提高能量密度至关重要。研究人员也在寻找新的材料,以增加储存在阳极的锂离子数量。看来,尽管全球电动汽车起火此起彼伏,三元锂电池也许还有救,大限还没有真正到来。

文︱立厷

图︱网络

日前,韩国现代汽车一辆电动巴士发生自燃,此前数月,现代汽车已经发生了十余起起火事故,导致3．3万台车辆召回,费用高达58亿元之巨。这些车辆搭载LG化学旗下LG Energy Solution生产的电池。

去年年底,特斯拉合作伙伴LG称有望成为前者的主要圆柱形电池供应商。为实现这一目标,LG正计划在其中国南京工厂扩建2170镍锰钴(NMC)锂电池生产线,以支持特斯拉上海超级工厂的Model Y。注意:2170还是三元锂电池,并非此前LG计划于2021年量产的全球首款超高镍NCMA四元锂电池。

尽管2020年国内发生的近百起自燃大部分都是三元锂电池车型,但目前还没有一种可以完美替代它的电池化学,因此,人们还在想方设法对其不断改进。我们来看看进入2021年这方面的一些进展。

锂电池细节改进一刻未停

锂离子电池(LIB)是现代科技的重要组成部分,功能强大、携带方便、可充电,广泛应用于智能手机、笔记本电脑和电动汽车。

2019年,人类远离化石燃料,未来彻底改变储存和消耗电力方式的潜力得到了充分认可,冲绳科学技术大学院大学(OIST)理事会成员锂离子电池发明者Akira Yoshino博士获得了诺贝尔奖,以表彰他在开发锂离子电池方面的贡献。

当电池充电时,锂离子被迫从电池的一侧(阴极)通过电解液移动到电池的另一侧(阳极)。在放电时,锂离子会移回阴极,并从电池中释放电流。传统锂离子电池的阳极是石墨,但这种碳材料有很大的局限性。在石墨阳极中,储存一个锂离子需要六个碳原子,因此这些电池的能量密度很低。

自问世以来,锂离子电池一直在不断改进和调整。在大多数较大规模的应用中,锂离子电池研究的重点在于提升容量和电压极限,而不增加其总体尺寸。当然,要做到这一点,电池组件和材料必须有所改变。

为消除二氧化碳排放,电动汽车主宰道路的时刻越来越近,但汽车制造商面临的一个主要问题是如何制造一种价格合理、持久耐用、能量密集、能够快速高效充电的电池。因此,制造储能目标为500Wh/kg的电动汽车电池的竞赛一直在持续,这可能也需要更换新的正极材料。

硅+聚合物涂层替代石墨阳极

许多研究人员都在研究使用硅阳极,而不是传统石墨阳极来提高锂离子电池容量。尽管硅是一种很有前途的阳极材料,其容量可增加近10倍,但在硅阳极商业化之前,还有一系列必须克服的挑战。

其中之一是,随着电池的使用硅阳极性能会迅速下降。聚合物涂层可以解决这一问题,但很少有人研究探讨其内在机制。日本高级科学技术研究所(JAIST)的科学家们研究了聚硼硅氧烷(PBS)涂层在稳定硅阳极容量方面的意义,从而为制造更好、更耐用的锂离子电池铺平了道路。

聚合物涂层可以解决困扰硅阳极的一个致命缺点:形成过大的固体电解质界面(SEI)。电解液和阳极之间自发形成的SEI实际上对电池的长期性能至关重要。硅材料在使用过程中往往会大幅膨胀,从而导致连续的SEI形成和可用电解液耗尽。这会阻碍电池的性能,并随着时间推移导致容量大幅下降。

使用聚合物涂层可以防止在硅上形成过多的SEI,并形成一种人工的、稳定SEI。尽管研究人员已经注意到了PBS作为硅阳极涂层的潜力,但之前的研究并没有对其作用机制提供明确的解释。

图:人工固体电解质界面具有良好的锂离子导电性和稳定性

研究小组从稳定性、容量和界面特性方面比较了有和没有聚合物涂层的硅阳极的短期和长期性能。他们通过一系列电化学测量和理论计算了解了PBS如何帮助稳定硅阳极的容量。

与裸露的硅阳极和涂有聚偏氟乙烯(LIB中的一种商用涂层)的阳极相比,PBS的自愈性及其对锂离子的可逆调节显著提高了稳定性。部分原因是PBS能够填充SEI在运行期间形成的所有裂缝。与上述阳极不同,PBS涂层硅阳极的容量在300多次循环中几乎保持不变。

图:PBS涂层自愈合性提供更稳定的性能

通过解决与硅阳极相关的主要问题,该研究为新一代具有更高容量和耐用性的锂离子电池铺平了道路。领导这项研究的Noriyoshi Matsumi教授表示:“大容量锂离子电池的广泛应用将使电动汽车行驶距离更长,无人机体积更小,可再生能源的储存效率更高。在十年内,我们甚至可能看到锂离子电池被用作火车、船只和飞机等大型交通工具的二次能源。”

图:锂金属电池阳极改进让电池寿命加倍