超高能量密度无阳极锂电池

超高能量密度无阳极锂电池

随着便携式与穿戴式电子产品、电动车与再生能源产业的蓬勃发展,电池在日常生活中的角色日益重要。主要因为电池具有高效率的储能及放电能力,虽然,近年来电池的科技有显著进步,目前电池的性能尚未能满足人类对高能量与高安全电池的需求。一般电池需要正极材料与负极材料组合,正极材料与负极材料的能量密度与电池的能量密度成正比,目前锂离子电池的能量密度约为200 Wh/kg或600 Wh/L,因正极与负极各占有一定的体积或重量,限制了锂离子电池的能量密度。虽然可通过生产薄膜锂电池,提升其能量密度,但生产薄膜锂电池的成本高且生产过程中有安全疑虑,仍不尽理想。  

黄炳照教授带领台湾科技大学可持续能源发展中心团队,长期发展电池与燃料电池材料。近期通过电解液与人工固态电解质界面的工程,发展无阳极锂电池,一种无需阳极材料的电池,该电池中的正极含有锂离子材料,在充电过程中,锂离子会离开正极,经由电解液,以锂金属形态沉积于负极电流收集器,成为一薄膜锂电池。这种电池因这样独特的设计,可提供高能量密度约为400 Wh/kg或1200 Wh/L。

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超高能量密度无阳极锂电池

目前商用的锂离子电池的能量密度约为200 Wh/kg或600 Wh/L,无阳极锂电池能量密度约为目前商用锂离子电池的2-3倍,且具有制造简单与低成本等优点,因在其充电及放电过程中,牵涉到锂金属的沉积与溶解现象,且由于锂金属高活性的本质,常导致过程中锂与电解液的反应与失活锂金属的形成,因而可用活性锂金属会随着循环次数而降低,无阳极锂电池电容量则随之衰减。为了克服上述的问题,并提升无阳极锂电池的循环寿命,黄教授团队通过电解液工程与人工固态电解质界面的工程,来提升无阳极锂电池性能。本文将简单介绍如何由电解液工程来改善无阳极锂电池性能。黄教授团队以局部高浓度电解质的概念为研究基础。高浓度电解质与一般电解液的差异,在其锂离子溶合结构的改变。在一般电解液,锂离子主要与强溶合溶剂溶合,如碳酸乙烯酯溶剂(ethylene carbonate, EC);在高浓度电解质中,锂离子与溶剂的溶合配位数会降低,并与阴离子形成离子对,经由团队的理论计算了解,这不仅改变电解质中锂离子融合结构,更同时会改变吸附于锂金属表面的物质,进而可调控形成固态-电解质界面层的组成,获得优异的界面物理化学性质,及抑制锂枝晶的形成与提升库伦效率。因高浓度电解液的缺点为成本高,且因浓度提高,其粘度增加,导致离子导电性降低。本研究通过在电解液中添加一种具有较低融合能力的溶剂作为稀释剂,降低其粘度,使其与商用电解液具有相当的导电性,并维持高浓度电解液中锂离子的融合结构,如下图所示,其可形成优异的固态电解质界面。黄教授团队已根据此发展优异性能的电解液配方,可大幅改善无阳极锂电池的性能。 

超高能量密度无阳极锂电池

黄教授团队并进一步进行快速筛选优化电解液的研究,如下图所示,发展出一系列高安全性且耐高电压的电解液,此电解液不仅可形成稳定的负极及正极固态-电解质界面外,并可抑制锂枝晶的成长及降低电解液的进一步分解,提升库伦效率及无阳极锂电池的循环寿命。另外,新型电解液可用于一般商用高电压锂离子电池(4.5~4.9 V),如高电压尖晶石正极材料锂离子电池、高镍三元层状正极材料锂离子电池等,其循环寿命及库伦效率远优于一般商用电解液,且由于其不燃性及可抑制锂枝晶的成长特性,可大幅提升电池的安全性,极具取代现有商用电解液的潜力,此核心技术已申请多国专利,也可提供台湾发展本土化电解液之基础,为台湾电池产业奠基,提升台湾电动机车产业与绿能储能产业的竞争力。 

超高能量密度无阳极锂电池

作者简介:黄炳照讲座教授任职于台湾科技大学化工系,目前兼任可持续能源发展中心主任及台湾建筑科技中心建筑节能研发中心主任。发表超过400篇SCI论文及拥有超过50件专利,论文引用数超过20,000次, h-指数达71,研究成果丰硕。

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