【前沿报道】美国橡树岭国家实验室成功研发高电压(5V)全固态电池,充放电10000圈不是梦

高电压(5V); 全固态电池;镍锰尖晶石高电压锂电池的意义:提高锂电池的两大途径是增加电量和提高电压。单体锂电池电池的能量与电压成正比。目前常用锂电池的电压上限被限制在4.2 V(例如锂钴氧);磷酸铁锂的电压更低,放点平台在3.4V左右。很多高压正极材料理论上可以大幅度提高锂电池的能量;简单计算可知如把电池平均工作电压从4V(锂钴氧)提高到4.7V(镍锰尖晶石),能量可以提高18%;如把电压共3.4V(磷酸铁锂)提高到4.7V, 能量可以提高38%。进一步来说,对于电池组来说电压是预先设定的;采用高电压锂电池,单体电芯的数量可以进一步降低,从而增加相对的能量密度和降低电池管理难度。(例如为了达到240V,钴酸锂需要60节电芯,磷酸铁锂需要70节,而镍锰尖晶石只需51节。)

高电压锂电池的问题:高电压锂电池在整个行业中目前还处于早期研发阶段,主要问题是电解液的氧化分解。目前常见的液态电解液、正在研发的离子液都达不到这么高的电压。这导致了很多很好的高电压正极不能使用,例如镍锰尖晶石(LiNi0.5Mn1.5O4, 放点平台4.7V, 比容量147 mAh/g)。

本文的解决办法:橡树岭国家实验科学家提出可以用固态电解质代替液态电解质,用来解决高电压锂电池的问题。所用的电解质是Lipon,一种含锂的玻璃;它的电压稳定区间是从0到5.5V. 橡树岭实验室制造处用Lipon为电解质、镍锰尖晶石为正极、金属Li为负极的薄膜电池,证明了这个概念的可行性。所有材料都是用磁控溅射或者热蒸镀的方法制造的。这种电池循环10000圈后可以保持90%的电量,每圈库伦效率高于99.98%。

10000圈循环的广泛意义:有可能改变电子产品和电动汽车的寿命、质保、用户习惯。 对于一个电池来说,当然循环次数越多越好。然而实际应用中当循环性能达到一定水平,已经没有必要再继续提高。例如大家都觉得手机用两三年后电池就不行了;但手机本身更新换代的寿命也就两三年,即使电池能继续用,我们也不会再用这个手机。假如考虑大部分终端设备的要求,例如手机或者电动汽车,对大部分用户 来说电池都是每天一个循环(白天放电,晚上充电);那么10000圈相当于27年的使用寿命。假如手机上有这样的电池,我们再也不用担心哪天电池坏了,因为不可能有人把这个手机用上27年。其他电子产品类似:相机、MP3、GPS等等。甚至汽车,如果电动车上的电池(相当于电动车的发电机)能用27年,限制汽车寿命的将不再是电池而是其他组件,对用户来说汽车保修期也可能进一步提高。(目前特斯拉某些型号汽车的电池质保是10年,就是基于寿命考虑。)

这个工作的限制:目前橡树岭只做出了实验室级别的小尺寸电池,电池本身电量很小。但这篇文章提出的概念是可行的,并且小规模也证明可行。作者在论文中鼓励其他科学家可以借鉴这个概念,用它来测试其他高电压的正极和固态电解质材料。

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