密歇根大學開發(fā)的可充電電池技術可以使今天的鋰離子電池產(chǎn)量翻倍

密歇根大學開發(fā)的可充電電池技術可以使今天的鋰離子電池產(chǎn)量翻倍 - 大幅延長電動汽車的續(xù)航時間和手機充電之間的時間 - 而不占用任何額外的空間。

通過使用陶瓷固態(tài)電解質(zhì)，工程師可以利用鋰金屬電池的功率，而不會出現(xiàn)耐久性差和短路的歷史問題。結果是可能成為下一代可充電電池的路線圖。

“這可能是改變游戲規(guī)則 - 電池運行方式的范式轉變，”負責這項工作的UM機械工程副教授杰夫坂本說。

在20世紀80年代，使用液體電解質(zhì)的可充電鋰金屬電池被認為是下一個重要的東西，在早期的便攜式電話中滲透到市場。但是他們在充電時燃燒的傾向導致工程師朝著不同的方向前進。在電極之間穿梭的鋰原子傾向于在電極表面上形成稱為樹枝狀的樹狀細絲，最終使電池短路并點燃可燃電解質(zhì)。

鋰離子電池 - 一種更穩(wěn)定，但能量密度更低的技術 - 于1991年推出，并迅速成為新標準。這些電池用石墨陽極代替鋰金屬，石墨陽極吸收鋰并防止枝晶形成，但也帶來性能成本：

石墨每6個碳原子只能容納一個鋰離子，使其具有約350毫安小時/克(mAh / g)的比容量。固態(tài)電池中的鋰金屬具有3,800mAh / g的比容量。

目前的鋰離子電池在電池水平上的總能量密度大約為每瓦600瓦時(Wh / L)。原則上，固態(tài)電池可以達到1,200 Wh / L.

為了解決鋰金屬的燃燒問題，UM工程師創(chuàng)造了一種陶瓷層，可以穩(wěn)定表面保持枝晶，防止形成和防止火災。它允許電池利用鋰金屬能量密度和高導電性的好處 - 沒有火災或隨著時間的推移降級的危險。

“我們提出的是一種不同的方法 - 用陶瓷物理穩(wěn)定鋰金屬表面，”Sakamoto說。“它不可燃。我們在空氣中的溫度超過1,800華氏度。并且沒有液體，這通常會燃燒你看到的電池火災。

“你擺脫了燃料，你擺脫了燃燒。”

在早期的固態(tài)電解質(zhì)測試中，鋰金屬以低充電速率通過陶瓷電解質(zhì)生長，導致短路，與液體電池中的非常相似。密歇根大學的研究人員通過化學和機械處理解決了這個問題，這些處理為鋰提供了原始表面均勻的平板，有效地抑制了樹枝狀或長絲的形成。Sakamoto表示，這不僅可以提高安全性，還可以顯著提高充電率。

“到目前為止，你可以制鋰的速度意味著你需要為鋰金屬汽車電池充電20到50小時(全功率)，”Sakamoto說。“通過這一突破，我們證明了我們可以在3小時或更短的時間內(nèi)為電池充電。

“與之前的固態(tài)鋰金屬電池報告相比，我們談論的充電速度提高了10倍。我們現(xiàn)在的充電速度與鋰離子電池相當，但還有其他優(yōu)勢。”

充電/充電過程不可避免地導致鋰離子電池的最終死亡。在陰極和陽極之間反復交換離子會立即產(chǎn)生可見的降解。

然而，在測試陶瓷電解質(zhì)時，長期循環(huán)后沒有觀察到明顯的降解，機械工程的UM博士后研究員Nathan Taylor說。

“我們做了22天相同的測試，”他說。“電池在開始時和最后一樣都是一樣的。我們沒有看到任何退化。我們還沒有發(fā)現(xiàn)任何其他大塊固態(tài)電解質(zhì)在這么長時間內(nèi)表現(xiàn)良好。”

大塊固態(tài)電解質(zhì)使電池成為現(xiàn)有鋰離子電池的直接替代品，并可利用現(xiàn)有的電池制造技術。隨著材料性能的驗證，該研究小組已開始生產(chǎn)滿足固態(tài)容量目標所需的薄固體電解質(zhì)層。