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王朝阳院士重大进展!全新锂电池,寿命够电动汽车跑51.7万英里

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本研究提出的锂电池“高安全、高比能、长寿命”一举三得!或将推动新能源汽车跨越式发展。只需在闲置条件下将电池钝化以确保安全,然后在运行前自动加热以产生高功率,这对电池材料的未来发展方向将产生深远影响。电池在60°C下实现了超过4000次循环,够电动汽车跑517000英里,这是宝马i3以70%使用率行驶使用8年的5倍。

众所周知,可充电锂离子电池(LIBs)广泛用于电动车辆,消费类电子产品和固定式能量存储系统,同时实现高安全性和高能量密度是永恒的追求。近日,美国宾夕法尼亚州立大学王朝阳院士团队提出了一个全新的概念,即:钝化电池和加热使用,同时获得了既安全又高性能的锂离子电池(SEB),这也打破了传统电池界两者不可兼得的格局。此外,由此制备的SEB电池能够循环4000多次,有望促进新能源汽车的发展。相关论文以题为“A new approach to bothhigh safety and high performance of lithium-ion batteries”于2020年2月28日发表在Science Advances上。

论文链接

https://advances.sciencemag.org/content/6/9/eaay7633

传统电池的性能、安全性和循环寿命都是由负极/电解质和正极/电解质界面(EEI)上的电化学反应决定的,由此造成的在电极的反应性和稳定性之间的冲突限制着LIBs的发展。更具体地说,高活性电极/电解质材料提供高功率和高性能,但导致安全性差和加速容量衰减,即使在电池不使用的情况下也会如此。高度稳定(即反应性较低)的电极/电解质材料拥有安全性、低降解性、低自放电和长寿命,但这类材料往往提供低功率和差性能。因此,电池材料的开发一直是为了权衡电极和电解质材料的选择。

这项工作描述了一种实现安全和高能量电池(SEB)的新策略。如图1所示,其中电池电阻与温度的倒数相对应,通过使用高度稳定的材料构建稳定的EEI,具体来讲,通过在常规碳酸酯电解液中加入少量的磷酸三烯丙酯(TAP),从而在电池内部形成坚固稳定的EEI以提高锂离子电池在高温条件和高压条件下的耐受性。

图1.SEB与传统LIBs的性能比较

值得注意的是,TAP的添加使得锂离子电池内部阻抗增加了5倍之多,从而保证了电池的高安全性和热稳定性,这种高阻抗的LIBs能够顺利通过针刺、短路和高温储存等多种安全性测试。同时,电池在使用前在几十秒内从室温加热到60℃,使电池内阻降低,从而得到高功率的锂离子电池。虽然之前TAP基电解质在石墨/NCM442基电池中的两个电极上形成厚的保护层已经被研究,但选择使用TAP来创建电阻式锂离子电池则是第一次被提出。

图2.SEB与传统LIBs的机理解释

图3.电池功率与温度的关系

新型的SEB在针刺、高电压充电和高温储存时均表现出优异的安全性能和循环性能。除了安全性和高功率之外,对于LIBs的长寿命的需求也在不断增长。由高度稳定的材料制成的低反应性SEB电池具有更长的循环寿命。高压下SEB的稳定性使其充电至4.4V时,SEB的放电容量增加12.7%,同时产生14.5%的额外能量,同时自放电电流比常规电池小7倍。在60°C的温度下工作时,其放电功率增加81%,充电功率增加65%。

此外,SEB在60°C下实现了超过4000次循环,拥有75%的容量保持率,这4000多次循环的平均放电容量为等效全电池(EFC)的84.2%。假设电动汽车每个EFC的行驶里程为153英里(例如2019年宝马i3),4014多次循环意味着着超过517000英里的使用寿命,这是宝马i3以70%使用率行驶使用8年的5倍以上。

图4.60°C时循环稳定性比较

图5.SEB与传统LIBs循环前后电极的SEM图像

图6.SEB与传统LIBs循环后电极的XPS分析

在电动汽车的背景下,引入SEB在能量密度和降低成本方面获得了很大的收益,这主要体现在:(i)简化或完全取消了热管理系统;(ii)增强SEB电池的安全性,从而能够卸下电池中安装的部分或全部安全设备;(iii)SEB电池始终在单个恒定温度下工作,电池管理系统(BMS)得到简化。

基于此,在不引入新的化学反应或电池制造技术的情况下,SEB电池的能量密度增加25%至30%,成本降低30%是完全有可能的。更广泛地说,本文所提出的策略是在闲置条件下将电池钝化以确保安全,然后在运行前自动加热以产生高功率,这对电池材料的未来发展方向将会产生深远影响。(文:Caspar)

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