在過去的幾十年過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)，用他們的方法制造出容量為2.0 mAh的鋰/ LiCoO2(含鋰二氧化鈷)電池，可在零下15攝氏度實現(xiàn)200次充放電循環(huán)，充滿電需要45分鐘。未來，此種設計策略可能會為新型節(jié)能鋰電池的發(fā)展鋪平道路，讓電池可以在溫度低于零下10攝氏度或零下15攝氏度的國家或地區(qū)可靠地工作。鋰電池，或者說鋰金屬電池都采用鋰金屬為陽極。可充電的鋰電池被廣泛采用，用于給玩具、便攜式消費設備和電動汽車等各種電子設備供電。
但是，此類電池通常在室溫下才能實現(xiàn)可靠性能，當溫度低于零下10攝氏度時，其能源效率、功率和循環(huán)壽命就會顯著下降。在低溫下不能很好工作是此類電池的一大缺點，極大地限制其用于特別寒冷的氣候地區(qū)。造成這一缺點的主要原因在于，在溫度低于零下10攝氏度時，固體電解質(zhì)間相(SEI)會變得不穩(wěn)定，導致電池陽極在鋰電鍍時出現(xiàn)樹突。
據(jù)外媒報道，美國賓夕法尼亞州立大學(Pennsylvania State University)和阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)的一組研究人員最近研發(fā)了一種新型鋰金屬電池設計，可以克服上述缺點。研究人員發(fā)現(xiàn)，與之前研發(fā)鋰電池相比，新電池在低溫下的表現(xiàn)非常好。
最開始，研究人員在低溫下仔細檢查了鋰金屬電池，以便更好地了解影響其性能的因素。他們觀察到，氣溫在零下15攝氏度時，電池的SEI(來源于傳統(tǒng)電解質(zhì))會結晶度很高且不均勻，從而極大地限制了氟化鋰納米鹽等被動SEI成分的形成，導致表面鈍化不良、鋰腐蝕以及陽極上生長樹突。
在室溫下，添加其它層保護陽極、利用替代性電解質(zhì)或引入鋰主電極可以防止此類影響。但是在低溫下，控制SEI納米結構則更具挑戰(zhàn)性，會導致電池運行不穩(wěn)定。因此，研究人員設計了一種納米級被動SEI，可以讓鋰金屬陽極在低溫下穩(wěn)定運行。
研究人員提出，可通過在銅電流集電器表面組裝1、3苯二磺酰氟單分子層來控制SEI納米結構以及鋰電池中的鋰成核。新引入的電化學活性單分子層(EAM)改變了界面的化學環(huán)境，促進鋰表面形成氟化鋰(LiF)。
通過改變電池界面的化學環(huán)境，研究人員新推出的設計策略改變了電解質(zhì)分解的途徑和動態(tài)情況，進而導致鈍化質(zhì)量得到提升、不同SEI的產(chǎn)生。更具體地說，該單分子層在銅電流集電器上形成了親鋰陰離子。當該界面的鋰離子濃度較低時，可以引導鋰成核和生長。
在低溫情況下，此種設計策略導致多層SEI形成，此種多層的SEI由富含氟化鋰的內(nèi)相和非晶態(tài)外層組成。此外，此種被動多層SEI與傳統(tǒng)鋰金屬電池中的非被動SEI有很大的不同，傳統(tǒng)鋰金屬的SEI層在低溫時，結晶度很高，是以Li2CO3為主的結構。
在測試中，研究人員采用新設計測量打造的新電池，發(fā)現(xiàn)在低溫下也實現(xiàn)了很好的性能。更具體地說，此種方法成功地抑制了鋰的電偶腐蝕以及自放電，讓鋰在零下60攝氏度至45攝氏度的所有溫度下都可穩(wěn)定沉積。 |
