港大工程团队研发制备安全更高效锂电池新方法
液态电解质锂离子电池(左)与团队研发的阴离子网络固态电解质电池(右)图解
(原新闻稿已于3月6日发布)
应对气候变化和对清洁能源的需求,加上不断增长的电动汽车和电网储能系统,有迫切需要研发更先进的电池技术,新一代的电池需具备高安全水平和容量大的特点。
阴离子硼酸盐网状聚合物及交联剂示意图
锂离子电池数十年来一直是最先进的电化学储能技术,但存在安全,寿命有限以及功率密度不足等问题。主流的商用电池技术主要以碳基作为阳极,采用液态电解质。商用电解质由锂盐构成双离子导体,其中锂阳离子和对阴离子在电解质中以反方向移动传导。在这液态导电体系中,阴离子的移动速度是阳离子的至少四倍,因此锂阳离子传导的电流仅占总离子电流的百分之二十。而由于阴离子不能与碳基电极发生反应,大量阴离子会堆积在电极和电解质的界面,造成电池内部极化,使用寿命有限,以及可燃性和低离子传导的缺陷。
离子传导性质 a) ANP-BEGs的随温度变化的离子电导率,插图为活化能 b) 28 °C下离子电导率和链段运动的关系
基于液态电解质的局限,研究人员开始转移至固态电解质的研究,期望开发安全性高、锂金阳极兼容能量容量更大的新一代锂电池。利用锂金属作电池阳极,理论上能产生最高的能量容量,但其应用在液态电解质则具有相当的不稳定性。
研究团队成员。申东明博士(左一)和高婧宜(左五)。
由香港大学(港大)机械工程系申东明博士领导的研究团队为新电池技术提出可行方案,团队研发的一系列阴离子网络固态电解质,可提高充电电池的安全水平,让电池有更高功率密度和更长循环寿命。
研究结果已在《化学工程期刊》(Chemical Engineering Journal)发表,文章标题为「可用于锂金属电池的硼酸盐网状聚合物无溶剂单离子电解质的制备」。
过去研究证实,固态电解质在新一代电池技术中拥有很大的发展前景,因其可以在电池中实现无浓度梯度和快速充电、放电的特点,令电池更安全及有更大功率容量。然而,固态电解质在室温下较低的离子电导率,局限了搭配固态电解质的锂电池实现大规模商业化生产的可行性。
申博士研究团队设计的单离子导电聚合物固态电池,能有效提高其阳离子电导率(至少四倍)。团队设计了一种阴离子网状聚合物,能把通过的阴离子捆绑缠绕在其中,透过调控离子选择性电解质的链段港澳剧运动能力,让阳离子更快地通过。
阴离子网状聚合物的结构,由带有支链的聚乙二醇桥接硼根阴离子组成,通过使用不同的聚乙二醇和反应配比,从而调控所得聚合物的链段移动能力。团队崭新的设计,为研究互穿网络聚合物中的离子传导性能提供新思路,有助于制备新一类高电导率电解质的设计规则。
然而,要成功使单离子导电聚合物电解质,仍要克服现有固态电解质的种种困难,包括可循环性低及过电位太高等,预期一套针对选择性电解质的设计规则,将可促成及实现新一代可充电固态锂金属电池的研发。
「我们相信,单离子导电聚合物的应用会为新电池技术开辟可能性,这将掀起一场在可充电电池领域的技术革命,使可充电电池更安全,拥有更高功率密度和更长循环寿命。」由申博士指导的博士生,论文的第一作者高婧宜说。
「把离子选择性电解质应用在锂电池,可以实现快速充电,将来把一辆电动汽车重新充满电,可能只需喝一杯咖啡的时间,这势将开启清洁能源的新时代。」申博士补充说。
刊登于《化学工程期刊》的文章链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138407
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