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解讀鋰離子電池的發(fā)展史,沉思“未來電池”的創(chuàng)造

鉅大鋰電  |  點(diǎn)擊量:0  |  2023年10月07日  

鋰離子技術(shù)已經(jīng)改變了我們的通訊方式和便攜式設(shè)備的供電方式,今朝正推動(dòng)著全球交通和能源供應(yīng)的革命。德克薩斯大學(xué)奧斯丁分校的ArumugamManthiram發(fā)表的一篇新論文考察了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展,從20世紀(jì)70年代的初步發(fā)現(xiàn)到今天研究“將來電池”的研究人員的考慮。


自從1976年科學(xué)家展示了第一款可充電鋰離子電池以來,這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)證明了它在電子工業(yè)中改變世界的潛力。但即使在電動(dòng)汽車中的使用和固定儲(chǔ)能記錄大量上升,克服的技術(shù)問題和世界各地的科學(xué)家們正在努力將新材料和推動(dòng)電池的性能依然基于概念說明了科學(xué)家?guī)缀醢雮€(gè)世紀(jì)前。


而回顧這些發(fā)展,有關(guān)了解將來的研究方向是很有價(jià)值的。ArumugamManthiram在德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校擔(dān)任教授已有20年,他也曾與諾貝爾獎(jiǎng)得主、科學(xué)家約翰·古德諾JohnGoodenough一起研究鋰離子技術(shù)。Manthiram在《自然通訊》上發(fā)表的一篇評(píng)論文章中,深入研究了鋰離子技術(shù)的歷史,并探討了影響當(dāng)前新電池概念研究的問題。


Manthiram說:“隨著我們大規(guī)模部署鋰離子電池,成本和可繼續(xù)性變得至關(guān)緊要。此外,為了跟上便攜式電子設(shè)備的發(fā)展,并提高電動(dòng)汽車的行駛范圍,人們希望將能量密度提高到現(xiàn)有水平之上。”


20世紀(jì)70年代,埃克森美孚公司的M.StanleyWhittingham首次演示了鋰金屬陽極和硫化鈦陰極的可充電電池,這為插入化學(xué)理解的最新進(jìn)展供應(yīng)了概念證明。這種電池由于低電壓和能量密度,以及鋰金屬陽極上的枝晶生長而受阻——這是一個(gè)科學(xué)家們至今仍在努力處理的問題。


下一個(gè)Manthiram關(guān)注的是JohnGoodenough團(tuán)隊(duì)在20世紀(jì)80年代的工作,該團(tuán)隊(duì)獲得了2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。這涉及到氧化物陰極的設(shè)計(jì),它準(zhǔn)許在電池中新增電壓。Goodenough的小組還將氧化陰極分為三類(層狀、尖晶石和聚陰離子),至今仍是唯一實(shí)用的陰極類型,并作為將來發(fā)展的基礎(chǔ)。


最后,Goodenough的小組在20世紀(jì)80年代的進(jìn)一步工作,由來訪研究員KoichiMizushima領(lǐng)導(dǎo),首次展示了一種具有碳陽極和鋰鈷氧化物陰極的鋰離子電池。它代表了該技術(shù)第一次克服了安全和能量密度問題,并作為一種準(zhǔn)備商業(yè)化的東西出現(xiàn)。


但隨著社會(huì)對(duì)電池的需求不斷新增,這些擔(dān)憂依然是鋰離子技術(shù)研究的核心。


Manthiram表示:“我們要通過新增陰極和陽極的電荷存儲(chǔ)容量,新增陰極的工作電壓來新增能量密度,或者理想情況下同時(shí)新增電荷存儲(chǔ)容量和工作電壓。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),要開發(fā)新的或更好的電極材料和電解質(zhì)。新的合成和解決辦法以及計(jì)算機(jī)建模可以幫助這些任務(wù)。”


Manthiram指出,在短時(shí)間內(nèi),他預(yù)計(jì)研究重點(diǎn)將放在含鎳較多、鈷較少或不含的層狀氧化物陰極上,并在石墨陽極中添加硅以新增能量密度。


在將來,會(huì)有大量的技術(shù)最終證明它們的價(jià)值。Manthiram說:“鋰離子電池將保持其在能源存儲(chǔ)方面的領(lǐng)先地位,特別是在運(yùn)輸部門的電氣化方面。”


據(jù)小組分解,在將來鋰硫電池可以在降低成本的同時(shí)進(jìn)一步提高能量密度。鈉離子電池可以加強(qiáng)可繼續(xù)性。最終,全固態(tài)電池可以進(jìn)一步提高能量密度,提高安全性。


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