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美国佐治亚理工学院:橡胶材料电动汽车电池安全持久的关键

2022-01-13 09:00 性质:原创 作者:DDing 来源:中国叉车网-中叉网
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研究人员拉伸大型橡胶材料。图片来源:美国佐治亚理工学院为了使电动汽车(EVs)成为主流,它们需要成本效益高、更安全、更持久的电池,这些电池在使用过程中不...

研究人员拉伸大型橡胶材料。图片来源:美国佐治亚理工学院

为了使电动汽车(EVs)成为主流,它们需要成本效益高、更安全、更持久的电池,这些电池在使用过程中不会爆炸或损害环境。美国佐治亚理工学院的研究人员可能已经找到了一种有希望替代传统锂离子电池的材料:橡胶。

弹性体,或合成橡胶,由于其优越的机械性能,被广泛用于消费产品和先进技术,如可穿戴电子设备和软机器人。研究人员发现,当这种材料被配制成3D结构时,它作为快速锂离子运输的超级公路,具有卓越的机械韧性,从而使电池的充电时间更长,可以走得更远。这项研究是与韩国科学和技术高级研究所合作进行的,周三发表在《自然》杂志上。

在传统的锂离子电池中,离子是由液体电解质移动的。然而,这种电池本身是不稳定的:即使是最轻微的损坏也会泄漏到电解质中,导致爆炸或火灾。安全问题迫使业界关注固态电池,它可以使用无机陶瓷材料或有机聚合物制造。

乔治-W-伍德拉夫机械工程学院副教授Seung Woo Lee说:"大多数行业都在关注构建无机固态电解质。但它们很难制造,价格昂贵,而且不环保。"他是一个研究小组的成员,该小组发现了一种优于其他材料的橡胶基有机聚合物。固体聚合物电解质因其制造成本低、无毒和柔软的特性,继续吸引着人们的极大兴趣。然而,传统的聚合物电解质没有足够的离子传导性和机械稳定性来保证固态电池的可靠运行。

新颖的三维设计带来了能量密度和性能的飞跃

佐治亚理工学院的工程师们利用橡胶电解质解决了常见的问题(锂离子传输缓慢和机械性能差)。关键的突破是让材料在坚固的橡胶基质中形成三维(3D)互连的塑料晶体相。这种独特的结构带来了高离子传导性、卓越的机械性能和电化学稳定性。

这种橡胶电解质可以在低温条件下使用简单的聚合工艺制成,在电极表面产生坚固而光滑的界面。橡胶电解质的这些独特特性防止了锂枝晶的生长,并允许更快地移动离子,使固态电池即使在室温下也能可靠运行。

Lee说:"橡胶因其高机械性能而被到处使用,它将使我们能够制造廉价、更可靠和更安全的电池。更高的离子传导性意味着你可以在同一时间移动更多的离子。通过增加这些电池的比能量和能量密度,你可以增加电动车的里程。"

机械工程研究生研究员Michael Lee说:“研究人员现在正在研究如何提高电池的性能,通过更好的离子传导性增加其循环时间和减少充电时间。到目前为止,他们的努力已经使电池的性能/循环时间有了两次的改善。”

这项工作可以提高格鲁吉亚作为电动车创新中心的声誉。SK Innovation是一家全球能源和石化公司,正在资助对电解质材料的额外研究,作为其与该研究所持续合作的一部分,以建立比传统锂离子电池更安全、能量更密集的下一代固态电池。SK创新公司最近宣布在佐治亚州商务市建设一个新的电动车电池工厂,预计到2023年,年产锂离子电池量将达到21.5千兆瓦时。

SK Innovation下一代电池研究中心主任Kyounghwan Choi说:"全固态电池可以极大地提高电动汽车的里程数和安全性。包括SK Innovation在内的快速发展的电池公司认为,全固态电池的商业化将成为电动汽车市场的游戏规则改变者。通过与SK Innovation和佐治亚理工学院的Seung Woo Lee教授合作的现行项目,人们对全固态电池的快速应用和商业化寄予厚望。"

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