电池技术获得重大突破，你充一次电能顶半个月
来源：宝鄂实业
2019-03-14 09:34
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想象一下，几个星期都不用给手机或笔记本充电了。这是手机控们的梦想，也是每个电池研发人员的人员的梦想！
最近，电池研发的氟化物替代电池超越了当今流行的锂电池。刚刚发表的一项新研究中，包括加州理工学院和喷气推进实验室，以及本田研究所和劳伦斯·伯克利国家实验室，都想出了一种新的方法来制造基于氟化物的可充电电池。氟化物是一种带负电荷的化合物。
中间紫色的为氟离子
“氟化物电池可以有更高的能量密度，这意味着它们的寿命可能比现在使用的电池长8倍，”研究的合著者、加州理工学院的Victor和Elizabeth Atkins化学教授、2005年诺贝尔化学奖得主罗伯特·格鲁布斯说。“但是氟化物很难使用，特别是因为它具有腐蚀性和易反应性。”
在20世纪70年代，研究人员试图用固体组件制造可充电的氟化物电池，但固态电池只能在高温下工作，这使得它们不适合日常使用。在新的研究中，作者报告了如何使氟化物电池在室温下工作。
JPL的化学家西蒙·琼斯(Simon Jones)说：“我们还在研发阶段，但这是第一个室温工作的可充电氟化物电池。”他也是这项新研究的相应作者。
电池通过在正负极之间穿梭带电原子(或离子)来驱动电流。当涉及液体时，这一穿梭过程在室温下更容易进行。在锂离子电池的情况下，锂通过液体溶液或电解液在电极之间穿梭。
“充电电池就像把球推上山，然后让球一次又一次地回滚，”加州理工学院化学教授托马斯·米勒(ThomasMiller)说。“你在储存能量和使用能量之间来回穿梭。”
锂离子是正离子(称为阳离子)，而新研究中使用的氟化物离子带有负电荷(也称为阴离子)。
“对于续航时间较长的电池，你需要移动更多的电荷。移动多电荷的金属离子是困难的，但通过移动几个单电荷的负离子，这些负离子就可以相对容易地移动，”JPL研究航天器所需的动力源的琼斯说。“这一方案的挑战在于使系统在可用电压下工作。在这项新的研究中，我们证明氟离子确实值得电池科学关注，因为我们证明氟化物可以在足够高的电压下工作。”
使氟化物电池在液体而不是固态中工作的关键是一种被称为三氟乙基醚(BTFE)的电解质液体。这种溶剂有助于保持氟化物离子的稳定，使其能够在电池中来回穿梭电子。琼斯说，他当时的实习生维多利亚·戴维斯(Victoria Davis)现在就读于北卡罗来纳大学教堂山分校，他是第一个想到尝试BTFE的人。虽然琼斯并没有多大的希望，它能否成功？但他决定尝试了一下。最后他感到惊讶，氟化物的工作状态原来这么好。
在这一点上，琼斯转向米勒寻求帮助，以了解什么解决方案更有效。Miller和他的小组对反应进行了计算机模拟，找出了BTFE的哪些方面是稳定氟化物的。从那时起，该团队调整BTFE解决方案，修改它的添加剂，以提高其性能和稳定性。
琼斯说：“我们正在研发一种新的方法来制造蓄电量大几十倍的电池。”
我们现代科技日新月异，唯独电池领域的发展停滞了几十年了！
而今我们终于又见到蓄电池重新开始发展！也许不久的将来，我们可以用上氟化物电池，可以连续玩十几天不用充电！
“现在所使用的锂离子电池成本较高，技术也不成熟，所产的锂离子电池存在不少安全隐患。”哈尔滨工业大学教授王振波表示。
据了解，近年来大型动力电池事故频发，很大程度上是由于电池内部使用液态电解质。“是否安全对锂离子电池储能来说非常关键。”清华大学材料学院副教授李亮亮强调。
“目前选择使用的液态有机电解液易燃易爆，用固态电解质代替液态电解液，是我们公认可以提升锂电池安全性能最为有效的方法之一。”中国科学院青岛生物能源与过程研究所副研究员董衫木表示。
李亮亮说：“固态电解质不易燃，还不会产生液态电解液，因此不带腐蚀性，是解决电池安全性问题的有效方法，也符合未来电池发展的趋势。”
技术瓶颈待突破
据了解，高安全性是储能电池应用的基础和前提，固态化是解决二次电池安全性的有效途径。固态锂电池已进入全球加快布局和研发的阶段，很多著名机构都在开发固态锂电池。包括韩国三星、日本丰田和我国众多电池和汽车厂商，都加大了固态电池研发投入，目前已有部分电池进入装车测试阶段。尽管前景可期，但由于技术和工艺上的种种问题，发展固态电池的道路绝非一帆风顺。
首先，高效的电解质材料体系缺乏。董衫木认为，“现今固态电池采用的固态电解质普遍存在性能短板，距离高性能锂离子电池系统的要求仍有不小的差距。”
其次，固态电解质和电极的界面处理也是固态电池目前面临的一大难题。“在固体电解质中锂离子传输阻抗很大，与电极接触的刚性界面接触面积小，在充放电过程中电解质体积的变化容易破坏界面的稳定。”李亮亮指出。此外，在固态锂电池中，电极内部还存在复杂的多级界面，电化学以及形变等因素都会导致接触失效影响电池性能。
再次，长期使用时稳定性不理想也是长寿命储能固态电池发展的瓶颈。
新技术层出不穷
据介绍，针对固态电池，我们要从最基础的材料、界面、单体，一直到最终的系统模块进行研究，只有从根本上解决了关键材料和界面问题，才能开展系统的工艺研究，从而满足单电池的性能要求。
面对发展过程中接连不断的挑战，各种新技术“百家争鸣”。
比如，在固体电解质材料上，业内发现基于石榴石结构的锂镧锆氧(LLZO)固体电解质体系的固态电池具有优异的循环性能和倍率性能，它也因此成为一大技术热点。“LLZO是一种性能优异的填料，能够提高聚合物基复合固态电解质的性能。基于LLZO的固态电池循环1000次后容量仍能保持81%。”李亮亮介绍。
而界面处理的研究热点主要集中在界面设计及修饰层上，目前凝胶化的界面设计已经取得了较好成果。通过凝胶态的聚合物对界面进行修饰，增加接触面积的同时还可以缓冲循环过程中的体积效应，在室温下经过300次循环，基本无退化，这样的结构设计较好的改善了电池性能。
