鋰離子電池(LIB)在美國清潔能源技術組合中發揮著重要作用。大多數混合動力電動汽車和純電動汽車使用的都是LIB。這些可充電電池在可靠性和效率方面具有優勢,因為可以比傳統鉛酸電池存儲更多的能量,具有更快的充電速度和更長的續航時間。然而,這項技術仍在發展中,需要取得根本性的進步才能真正降低電動汽車電池的成本、提高續航里程和縮短充電時間。
ORNL企業研究員和通訊作者Sheng Dai表示:“克服這些挑戰將需要更有效的材料和可擴展到工業的合成方法。”
圖片來源:期刊《Advanced Energy Materials》
相關論文發表于期刊《Advanced Energy Materials》,描述了一種通過使用可擴展合成方法實現的新型快速充電電池負極材料:新的鉬-鎢-鈮酸鹽化合物(MWNO),具有快速充電和高效率的特點,有可能取代商業電池中的石墨。
幾十年來,石墨一直是制造鋰離子電池陽極的最佳材料。在基本的電池設計中,兩個固體電極——正極和負極——通過電解質溶液和隔膜連接。在LIB中,鋰離子在陰極和陽極之間來回移動,以存儲和釋放為設備供電的能量。石墨陽極面臨的一個挑戰是在充電過程中,電解質會分解并在陽極表面形成堆積物。這種積聚會減慢鋰離子的運動,并會降低電池的穩定性和性能。
ORNL博士后研究員和第一作者Runming Tao表示:“由于這種緩慢的鋰離子運動,石墨陽極被視為極速充電的障礙。我們正在尋找性能優于石墨的新型低成本材料。”
我們的方法側重于非石墨材料,但這些材料也有局限性。一些有潛力的材料,如鈮基氧化物,其合成方法十分復雜,不太適合工業。”
鈮氧化物(如MWNO)的常規合成是一個在明火上的能源密集型過程,會產生有毒廢物。一種實用的替代方案可以推動MWNO材料成為先進電池的重要候選材料。研究人員轉向以安全和簡單的成熟溶膠-凝膠工藝。與傳統的高溫合成不同,溶膠-凝膠工藝是將液體溶液轉化為固體或凝膠材料的低溫化學方法,通常用于制造玻璃和陶瓷。
該團隊將離子液體和金屬鹽的混合物轉化為多孔凝膠,并經過熱處理以增強材料的最終性能。該低能量策略還使用作MWNO模板的離子液體溶劑能夠被回收和循環利用。
Tao表示:“與石墨相比,這種材料可在更高的電壓下工作,并且不容易形成所謂的‘鈍化固體電解質層’,而這種電介質層在充電過程中會減緩鋰離子的運動。憑借其卓越的容量和快速充電速率,以及可擴展的合成方法,該材料成為未來電池極具可能的候選材料。”
該材料成功的關鍵是提供增強導電性的納米多孔結構。結果顯示,該材料為鋰離子和電子的運動提供了較小的阻力,從而實現了快速充電。
Dai表示:“此次研究成功發現MWNO材料的可擴展合成方法,并為未來用于各種儲能設備的電極材料奠定了基礎。”