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锂电池技术进展

来源:杭州高特电子设备有限公司      发帖时间:2015-04-23      浏览次数:492

一、电池材料新技术

1.1纳米科技提高锂离子电池性能

新加坡的一个研究团队开发了新一代锂电池技术,采用廉价的二氧化钛凝胶纳米结构作为电池负极,只需2分钟便可充满70%的电量,意味着只需要15分钟时间便可给一辆电动汽车完成充电。此外,这项技术还具备长达20年的电池寿命。

1.2石墨烯新型电极材料

美国伦斯勒理工学院(RPI)宣布,在用基于石墨烯的“纸”试制锂离子充电电池(LIB)负极时发现,在能量密度相当的情况下,输出密度提高到了石墨电极的10倍。具体而言,即使进行充放电率约为40C的快速充放电,电极的容量密度仍稳定在156mAh/g,输出密度达到了10kW/kg。据Koratkar等人介绍,还能进行100C的充放电。 论文表示该石墨烯电极能以低成本实现工业量产。

1.3负极用硅粉替代碳粉的长寿命大容量锂电池

日本东北大学金属材料研究所及京都大学研究生院工学研究科合作开发出了通孔型多孔硅粉末,并通过研究确认,使用该材料作为活性物质来制作锂离子二次电池(LIB)时,与现行LIB相比,比容量更大且循环寿命更长。 研究人员通过比较试验发现,使用新开发的多孔硅粉末时,可充放电至3600mAh/g,大约是使用碳类活性物质时的10倍。这一数值也比使用市售硅纳米粒子时的1700mAh/g要大,而且还减缓了伴随循环次数的增加而出现的容量降低,充放电循环150次后,仍可保持超过2000mAh/g的容量。这相当于使用碳类材料时的5.4倍。

1.4 “浓电解液”实现的新一代锂离子电池

以东京大学研究生院工学系研究科教授山田淳夫与助教山田裕贵为核心组成的研发小组开发出了极“浓电解液”,决定充电速度的Li+浓度达到以往电解液的4倍以上。研究团队采用高浓度LiFSA/AN电解液时,即使以5C以上的高速率进行充放电,容量降幅也比较小,表现出了高负荷特性,远远超过了商用EC系电解液。另外,上述物质在-20℃下也没有凝固,表现出了良好的负荷特性。在更接近实用水平的层压型全电池单元中,即使以15C的高速率充放电,也能实现相当于商用EC系电解液电池单元4C~5C充放电的极化和容量,有望实现高负荷特性。

二、电池结构新进展

2.1利用低价材料制成薄膜状“battenice” 电池

日本MICRONICS公司与GUALA TECHNOLOGY公司共同开发出了新原理二次电池“battenice”的量产技术。 新款电池具备锂离子二次电池所没有的几个特点。第一,能以低成本制造方法制成薄膜状。第二,采用全固体构造,无须担心液漏;不使用可燃性材料,不会起火;不使用稀有金属和稀土;现在已能实现1万次以上的充放电。

日本MICRONICS公司预计投产时可实现输出电压1.5V、能量密度500Wh/L、输出密度8000W/L、循环寿命(保持初期容量90%以上的容量)10万次,工作温度范围为-25~+85℃MICRONICS公司已经试制了尺寸为100mm2和300mm2、厚度约为10μm的薄膜状产品和重叠32张薄膜的产品。电池制造可利用低成本的卷对卷方式连续工艺,而且无需化学电池所需的1~2周老化工艺, 影响卷对卷制造条件等的薄膜基材目前使用不锈钢箔和铝箔等金属。不过,该公司正在开发降低焙烧温度(300~400℃)的技术,因此将来也许可以使用树脂。

2.2全固体锂离子电池
  日本特殊陶业公司在“CEATEC JAPAN 2014”展会上,首次展出了正在开发的全固体锂离子二次电池。该公司主营陶瓷业务,在全固体电池中采用了陶瓷技术。 展品呈圆柱形,直径约1cm、长约2cm。固体电解质采用了锂离子传导性出色的陶瓷。在100℃以上的高温环境下和真空环境下也能像常温常压环境一样使用。 

2.3形状可以自由设计的大容量薄膜型锂离子电池

日本积水化学工业公司日前开发出大容量薄膜型锂离子电池,实现了自由的设置形状,并可节省空间,有望应用于汽车、住宅及电子设备等多个领域。积水化学利用自主开发的材料技术,实现了生产效率高、柔软、薄型、尺寸长、面积大的薄膜型电池,一举实现了3倍的容量、在普通试验评估中无安全性问题及10倍的生产速度。积水化学通过使用果冻状凝胶型电解质,保持了较高的传导性,通过不使用电解液提高了安全性,同时还开发出可最大限度发挥凝胶型电解质性能的新高容量硅类负极材料,实现了高容量化。积水化学将电池尺寸暂设为长200厘米、宽30厘米、厚0.3~5毫米。今后将继续进行量产化研究,力争尽早实现实用化。

三、电池检测新技术

3.1可直接观察锂离子电池的电子运动的新技术

日产汽车公司及其全资子公司--日产分析与研究中心近日宣布,已率先研发出全球首项电池分析技术。通过该技术,日产研发人员可对锂离子电池的阴极材料在充电放电过程中的电子活动进行直接观察,从而进一步研究和设计电池材料,以期研发出容量更高、寿命更长的电池,提高零排放电动车的续航能力,加强电动车的耐用性。此次开发的分析方法,同时运用了使用“L吸收端”的“X射线吸收分光法”和使用超级计算机“地球模拟器”的“第一原理计算法”。尽管以前也有人采用X射线吸收分光法实施过锂离子电池分析,但使用“K吸收端”为主流。配置在距离原子核最近的K壳层的电子被束缚在原子内,因此电子并没有直接参与充放电。

四、其他电池体系新进展

4.1利用固体内的氧分子的新型二次电池

东京大学研究生院的研究小组与日本触媒公司共同开发出了采用新原理的二次电池,在正极利用Li2O与Li2O2之间的氧化还原反应,在负极利用金属锂的氧化还原反应,两电极活性物质的单位重量的理论容量为897mAh/g,电压为2.87V,理论能量密度为2570Wh/kg。这种电池的能量密度达到了现行锂离子二次电池的7倍,而且还可增加容量,降低价格,提高安全性。有望作为EV(纯电动汽车)用途及固定蓄电用途的新一代二次电池。

4.2新型锂空气电池

美国研究人员日前在达拉斯举行的美国化学学会第247届全国大会暨展览会上展示了他们的成果。研究人员正在研究的重要组件是电池的电解液,它能实现电极之间的导电。现在共有4种电解液设计,其中一种用到了水。这种“含水”设计相比其他设计的优势在于,它能防止锂与空气中的气体发生相互作用,并使空气电极快速反应。而劣势在于,水与锂直接接触会对锂造成损坏。据了解,这一系统的实际能量密度超过了300Wh/kg,而商业锂离子电池只有150Wh/kg左右。

4.3可充电铝离子电池

美国斯坦福大学一个华人为主的研究小组在《自然》杂志网络版刊登研究报告,介绍他们最新研发的铝电池具有高效耐用、可超快充电、可燃性低、成本低等特点,可以成为常规电池的安全替代品。据消息,研究团队负责人、斯坦福大学化学系华人教授戴宏杰对记者说,他们把石墨作为负极材料,并用一种相当于盐溶液的离子液体作为电解液。他们开发的铝离子电池可以充放电,具有超快充电、不易燃烧爆炸、可折叠、材料成本低的突出优点。

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