回顾2017年各院校电动车电池技术的研发动态
来源：宝鄂实业
2019-03-31 15:18
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随着各国燃油车禁售令的陆续发布，电动车将逐步取代传统的汽油车及柴油车，这已成为业内所熟知的行业趋势。为提升电动车的续航里程数，各国的大学及研究机构也纷纷致力于电池技术及产品的技术研发及测试。小编将盖世新技术版块中的新闻进行了汇总，整理出了16家研究机构在电动车电池技术的相关研发动态，供各位读者品鉴，详见正文。
盖世汽车讯 随着各国燃油车禁售令的陆续发布，电动车将逐步取代传统的汽油车及柴油车，这已成为业内所熟知的行业趋势。为提升电动车的续航里程数，各国的大学及研究机构也纷纷致力于电池技术及产品的技术研发及测试。
小编将盖世新技术版块中的新闻进行了汇总，供各位读者品鉴：
美国德克萨斯大学达拉斯分校与韩国首尔国立大学
关键词：锰基钠离子、锂电池
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美国德克萨斯大学达拉斯分校（University of Texas, Dallas）与韩国首尔国立大学（Seoul National University）共同研发出一款全新电池，其采用锰基钠离子（manganese and sodium-ion-based material）材料。该材料或将降低电池成本，且生态环保性更佳，所制成的电池可供电动车使用。
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他们采用钠取代了阳极内占比最大的材料——锂，并用锰取代价格更为昂贵、储量更为稀缺的钴和镍。该研究团队采用了合理的原材料配比并攻克了上述技术难题。他们先采用了计算机模拟，进而测定了电池达到最佳性能时各原子的配置，然后在实验室内进行了大量的材料测试直至研发成功。
麻省理工学院（MIT）
关键词：固态电池、锂渗透、固态电解质、表面光滑度
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据外媒报道，麻省理工大学（MIT）的研究人员与德国的同行们共同提出，若采用表面光滑的固态电解质（solid electrolyte），可防止有害的锂渗透（Li infiltration）现象出现，进而提升固态锂离子电池的性能。据新分析表明，表面的光滑度才是该问题的关键所在，电解质表面的细微裂纹及划痕将导致金属物的积聚。
在发生电化学反应（electrochemical reaction）后，来自电解质的锂（离子）将开始积聚到其表面细微瑕疵（包括：细微的凹点、裂痕、划痕）处。一旦锂离子开始在瑕疵处形成积聚，这一情况将会持续下去。
这表明研究人员需要将研究重心放在提升固态电解质表面的光滑度，这样或将消除或极大地减少电池固态电解质树突的生成数量。为避免产生易燃问题，或许未来还会采用固态锂金属电极。此外，该举措或将使锂离子电池的能量密度翻番。
东京工业大学
关键词：无锗固态电解质、全固态电池的优势、优化LGPS框架结构提升性能
东京工业大学（Tokyo Institute of Technology）的研究人员研发了一项新技术方案——无锗固态电解质，可降低固态锂电池的成本，并致力于将该项技术应用到电动车、通信及其他行业中。
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无锗固态电解质
该研究团队在在美国化学会（ACS）期刊——《材料化学（Chemistry of Materials）》上发表了论文，其技术方案为：采用锡与硅替代固态电解质内的锗（germanium）元素，因为上述两项材料的化学稳定性更强。相较于液态电解质，新材料提升了锂离子的导电率。在谈论其研究成果时，Ryoji Kanno与他的同事表示：“这款固态电解质不含锗，未来或许所有固态电池都会采用该电解质。”
全固态电池LiCoO2/LGPS/In−Li采用LGPS电解质，其充放电性能相当出色。然而，锗元素价格相对较贵，或将限制LGPS材料的广泛应用。在设计锂离子导体时，晶体结构类型也是一项重要因素。未来，硅基及锡基的无锗材料均可能被用作为固态电解质并得到实际应用。
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全固态电池的优势
相较于采用锂离子导电液体的常见锂离子电池，未来的全固态电池拥有以下优势：安全性及可靠性得到提升，储能量较高、使用寿命更长。
超离子导体（superionic conductors）——固态晶体（solid crystals）的研究发现提升了锂离子的移动速率，进而促进这类电池的研发进展，但这款前景较好的设计却一度依赖于对稀有金属锗的应用，由于其价格过于昂贵，无法实现大规模应用。
优化LGPS框架结构提升性能
在最近发布的一篇论文中，研究人员保留了相同的LGPS框架结构，对锡、硅及其他成分的原子的速率及位置分布进行了精密调整。其研究成果LSSPS材料（成分：Li10.35[Sn0.27Si1.08]P1.65S12 (Li3.45[Sn0.09Si0.36]P0.55S4)）在室温下的锂离子导电性为1.1 x 10-2 S cm-1，几乎接近最初的LGPS结构的性能。
尽管还需要进行进一步的调整，研究人员可根据其不同的用途来优化材料性能，为降低生产成本带来了新希望，且不必牺牲材料的性能。
美国莱斯大学（Rice University）
关键词：电池树突（dendrite）、石墨烯（graphene）、碳纳米管（carbon nanotubes）
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美国莱斯大学（Rice University）解决了电池树突（晶枝，dendrite）难题，该研究难题长期困扰着电池研究人员，该大学研发的锂金属电池的电容量是商用锂离子电池的三倍。
莱斯大学的设计团队将锂保存在一种独特的阳极中，该阳极采用了新工艺，由石墨烯（graphene）与碳纳米管（carbon nanotubes）混合制成。据研究人员透露，树突等锂离子积聚物将渗入电池的电解质。若树突造成阳极与阴极接触，将导致短路，电池将可能因此而报废。更有甚者，该电池将因此而起火或爆炸。
莱斯大学的化学家James Tour负责主导该研究项目，据他发现，当新电池充电后，锂金属表面将覆有一层均匀的碳混合物（highly conductive carbon hybrid），该物质导电性强，碳纳米管与石墨烯表面紧密粘合。
Tour表示，新款阳极的碳纳米管簇（nanotube forest）密度低，表面积大，有足够的空间来安置电池充放电时游动的锂离子颗粒。锂金属分布均匀，电解质内带电锂离子将扩散开来，抑制树突的增生。
Tour表示：“许多人做电池研究，仅仅专注于阳极，因为针对整个电池的研究难度更大。我们为此研发了一项配套的硫基阴极技术，与第一代超高容量的锂金属阳极相配套。目前，研究团队正在重新生产这类电池、阴极及阳极，用于中试试验（pilot scale），上述材料正在测试中。”
肯塔基大学（University of Kentucky）与中国研究团队
关键词：硅基氧化物阳极、非黏合性硅基氧化物/碳复合物、微型SiOx/C芯壳（core–shell）复合物
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在充电周期内，当电芯里的硅在与锂交互时，其膨胀收缩可达300%。而随着时间的推移，它会明显降低电池的性能、短路、并最终导致电池报废。为改进上述缺点并大体维持电池的能量密度，目前采用一氧化硅（SiOx, x ≈ 1）来制作锂离子电池的阳极。
硅基氧化物阳极的应用
硅基氧化物的可逆比容量（reversible specific capacity）较高，循环性能也有所提升。然而，该材质仍不可避免地出现体积改变，且导电性弱。如今，中国和美国的研究团队各自发表了研究结果，找到了两种新的改进方法。
美国团队的研究成果：非黏合性硅基氧化物/碳复合物
肯塔基大学（University of Kentucky）研究团队将硅基氧化物颗粒物与硫酸盐木质素（Kraft lignin）混合后，合成了一种高性能的非黏合性硅基氧化物/碳复合物（binder-free SiOx/C），用于制作锂离子电池的电极。经热处理后，木质素形成一种导电体（conductive matrix），可容纳大量的硅基氧化物颗粒，确保电子导电率（electronic conductivity）、连接性、适应锂化/脱锂反应（lithiation/delithiation）期间的体积变动。该材质无需采用常规的粘合剂或导电剂。
该复合材质制作的电极的性能表现极为出色。相较于体积变化率相对较小的硅基氧化物电极（160%）而言，其机械电化学性能较为出色，木质素碳素矩阵（carbon matrix）的弹性较大，可适应体积变动。
中国团队的研究的成果：微型SiOx/C芯壳（core–shell）复合物
中国研究团队则研发了一款高效的解决方案，制备微型SiOx/C芯壳（core–shell）复合物。该研究团队将柠檬酸（citric acid）与经球磨而制的硅基氧化物相混合使其碳化，随后就获得了一款质地均匀的SiOx/C芯壳复合物——SiOx微芯与柠檬酸碳壳（conformal carbon shell）。
碳壳大幅提升了硅基氧化物的电导率，缓和了适应锂化/脱锂反应期间的体积变化。采用SiOx/C复合物制作的电极，其可逆比容量为1296.3 mAh/g，库伦效率（coulombic efficiency）高达99.8%，充放电200次后，容量保持率在65.1%（843.5 mAh/g）。
据该研究团队透露，该复合物的放电效能极为出色，该方法可实现批量生产，具有成本效益，可大批量生产由SiOx/C复合物制作的高性能阳极材料。
美国德雷塞尔大学（Drexel University）与中国团队
关键词：MXene材料、“近即时（near-instant）”充电、超级电容器
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据外媒报道，美国德雷塞尔大学（Drexel University）的材料科学与工程学专业的研究员们与法国、以色列研究人员共同设计了新款锂电池电极，或许未来电动车的充电耗时只需短短数秒。
新款锂离子电池电极简介
新款锂电池的电极采用了一款名为MXene的二维材料，其导电性高。据研究团队透露，未来新款锂电池或许能实现电动车的“近即时（near-instant）”充电。
研究员Gogotsi在一份声明中宣称：“我们抽取了薄薄的一层MXene电极，用于演示充电速率，整个充电过程只需数十毫秒。这主要得益于MXene材质的超高导电性，为未来研发超快速储能设备铺平了道路，未来锂电池的充放电耗时将仅需数秒，且所储存的电能要远高于常规的超级电容器。”
MXene材质简介
MXene是一款扁平的纳米材料，于2011年被德雷塞尔大学材料科学与工程系的研究人员所发现，其外观酷似三明治，由氧化物与导电的碳及金属填充物构成，而氧化物相当于三明治中的面包，将填充物夹在中间。在材料制造过程中，研究人员将采用层压法来制作MXene。
MXene材质电极的弊端及改进
为使MXene的锂离子能自由移动，研究人员对其结构进行了一定的调整。研究人员将MXene与水凝胶（hydrogel）相混合，改变了其结构，使锂离子能自由移动。
Yury Gogotsi表示：“理想的电极架构是多通道结构（multi-lane），以便锂离子高速移动。研究团队研发的大孔隙电极设计恰好实现了该目标，使充电过程短短数秒内完成。”
