韩国开发新型电极结构,可用于电动汽车全固态二次电池

你的曾经 2020-12-11 15:30:18

导读:韩国科学家为固态电池开发了一种新的电极结构,他们说这种新的电极结构可以为这种有前途的储能技术带来更高的能量密度和简化的制造工艺。


韩国开发新型电极结构,可用于电动汽车全固态二次电池


在能源储能研究的众多不同途径中,固态电池被许多人视为最有希望克服成本、长期性能和防火安全等问题的技术。


在固态电池中,研究人员正在研究各种不同的材料和设备结构,每种材料都有其自身的挑战和优势。通常,这些挑战在于实现足够的导电性和稳定性,以及开发用于大规模制造的材料和工艺。


韩国电子与电信研究院(ETRI)的科学家与大邱庆北科技大学(DGIST)的一个小组合作,提出了一种基于固态电池设计的新方法,他们称之为“依赖扩散的全电池”固态电极。


该方法的关键是发现离子可以在活性石墨颗粒之间传输,这意味着不需要增加离子传导的添加剂。这意味着电极只需要包含活性储能材料和粘合剂,由于存在更少的材料以及为溶剂和粘合剂材料提供更多选择,这将增加储能容量,并可能简化生产。


ETRI的科学家们把这个理论带到DGIST,通过虚拟模型证实了它的可行性。然后ETRI能够在实际的实验中演示这种结构。这一工作在发表于ACS能源快报的一篇论文中被描述为:超高能量密度全固态电池的扩散依赖石墨电极。


韩国开发新型电极结构,可用于电动汽车全固态二次电池


在全固态电池中,通常将电极制造为活性材料和固体电解质的复合物,以模仿采用液体电解质的锂离子电池的电极。因此,有效的协议以可扩展的方法在空间上排列两个组件对于高性能全固态电池至关重要。在此,提出了用于能量密度比典型的复合型电极高的全固态电池的全固态电极的设计。所提出的电极主要由活性材料组成,在活性材料之间具有无缝界面,从而允许粒子间锂离子扩散。


因此,在电极制造过程中可以完全排除固体电解质,通过消除对与固体电解质有关的(电子)化学的担忧,可以为制造方案提供更高的灵活性。此外,通过增加电极中活性材料的含量,它可以显着提高归一化能量密度。这种电极概念为高性能全固态电池提供了有意义的进步。


ETRI研究人员Young-Gi Lee说:“我们首次揭示了离子只能与活性物质一起扩散。我们不再局限于现有的全固态二次电池所使用的结构。我们计划使用这种技术来开发具有高能量密度的二次电池。我们还将确保我们拥有核心技术的权利,并致力于可商业化的版本。”


在研究方面,ETRI进一步表示它计划研究相同的方法是否可以为石墨以外的材料带来更好的性能,并且还将在电极界面上起作用,以从电池中榨取更多性能并使电极更薄。


研究人员开发新型电极结构可用于全固态二次电池


盖世汽车讯据外媒报道,韩国研究人员开发了一种可用于全固态二次电池的新型电极结构。如果这项技术得到采用,与现有技术相比,电池的能量密度将显著提高,极大促进高性能二次电池的发展。


韩国开发新型电极结构,可用于电动汽车全固态二次电池


(图片来源:etri)


联合研究小组的成员分别来自韩国电子通信研究院(ETRI)和大邱庆北科学技术院(DGIST)。他们发现锂离子在活性物质之间容易扩散的机理,并针对全固态二次电池设计了一种新型电极结构。


与只能使用一次的原电池不同,二次电池可以充电并重复使用。对于机器人、电动汽车、储能系统(ESS)和无人机等应用来说,二次电池技术的重要性正在逐渐提升。全固态二次电池通过固体电解质在电池电极内传输离子,与液态电解液相比,固体电解质更加安全,不易引发火灾。此外,在双极型二次电池中,可以使用固体电解质,通过简单的电池配置来提升能量密度。


在常规全固态二次电池的电极结构中,固体电解质负责传导离子,导电添加剂提供电子传导方式,活性材料负责储存能量,而粘合剂可以从物理和化学意义上支持这些构成部分。然而,ETRI的研究人员通过系统性实验发现,即使在石墨活性物质颗粒之间,也可以传输离子。他们提出一种新的电极结构,可用于仅由活性物质和粘合剂组成的全固态二次电池。研究人员证实,即使电极内没有固体电解质添加剂,全固态二次电池也可以表现出更好的性能。


在DGIST,研究人员通过在超级计算机上运行虚拟模型电化学测试,验证ETRI提出的新型结构的理论可行性。在具体实验中,ETRI研究人员成功演示了这种结构,其结果是形成依赖于扩散的全固态电极。如果采用ETRI的技术,电极中将不再需要固体导电添加剂材料;相反,可以将更多活性材料压缩至相同体积中。换言之,电极中的活性物质含量可增加至98wt%,使能量密度大于常规石墨复合电极的1.5倍。


这项技术在制造工艺方面也具有优势。硫化物类固体电解质具有较高的离子电导率和适当的可塑性,被认为是制备全固态电池的理想候选材料。但是,由于其化学反应活性高,硫化物类固体电解质使得电池开发商几乎无法选择溶剂和粘合剂。相比之下,有了新型ETRI电极,开发者可以自由地选择在电池中使用的溶剂和粘合剂,因为电极中没有高活性固体电解质。因此,研究人员可以进一步寻求新方法,提高全固态二次电池的性能。


研究人员Young-Gi Lee博士表示:“我们首次发现,离子可以仅通过活性物质进行扩散。我们不再局限于现有全固态二次电池的结构。我们计划利用这项技术,开发能量密度更高的二次电池。我们还将确保拥有核心技术的权利,并致力于将其投入商用。”


本次研究使用的是石墨正极活性材料。ETRI计划,在相同的概念基础上,继续对其他电极材料进行研究。他们还计划加强这项技术,以提高效率,这可以通过消除电极之间的界面问题和减少电极体积来实现。

来源:盖世汽车资讯、锂电在线

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