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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽系系主任
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能量和續(xù)航能力可提升2~3倍： 新技術(shù)讓鋰金屬電池從“偏科”變“全能”
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能量和續(xù)航能力可提升2~3倍： 新技術(shù)讓鋰金屬電池從“偏科”變“全能” 生活中，幾乎每個(gè)人都曾因?yàn)槭謾C(jī)電量行將耗盡而焦急不已。此時(shí)，相信人們的心中都會(huì)涌起一聲感嘆——如果手機(jī)的電池容量能再大點(diǎn)兒該多好！ “手機(jī)電池只是可充放電池的一個(gè)很小應(yīng)用。如今，隨著電動(dòng)交通、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)高能量、長續(xù)航可充放電池的需求正變得日益迫切�！碧旖虼髮W(xué)材料學(xué)院教授胡文彬告訴《中國科學(xué)報(bào)》，單位電池中可容納的電量多少被稱為能量密度，如何在重量更輕、體積更小的情況下，提高電池的能量密度，這已成為電池領(lǐng)域需要攻克的重大技術(shù)挑戰(zhàn)。 不久前，胡文彬領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)與合作者聯(lián)合攻關(guān)，在國際上首次提出鋰金屬電池電解液“離域化”設(shè)計(jì)理念，并研制出能量密度超過600瓦時(shí)/公斤的軟包電芯和480瓦時(shí)/公斤的模組電池，比傳統(tǒng)鋰電池的能量密度和續(xù)航能力直接提高了2~3倍。相關(guān)成果已經(jīng)在《自然》在線發(fā)表。 胡文彬（中）與團(tuán)隊(duì)成員 受訪者供圖 “偏科”的鋰金屬電池 當(dāng)前，可充放電池的“主流”是鋰電池，這幾乎是一件眾所周知的事情。但很多人不知道的是，鋰電池還有一個(gè)全名——鋰離子電池。 “鋰離子電池的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，主要由某些氧化物材料構(gòu)成的正極、石墨材料構(gòu)成的負(fù)極，以及夾雜著鋰離子的電解液構(gòu)成�！焙谋驁F(tuán)隊(duì)成員、天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授韓曉鵬說，鋰離子電池的充放電過程，其實(shí)就是鋰離子在正負(fù)極之間不斷嵌入和脫嵌的過程——充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。 不難看出，決定鋰離子電池能量密度的重要因素，在于電池的正負(fù)極能夠容納多少鋰離子，而目前鋰離子電池能量密度不高的主要癥結(jié)就在于此。 韓曉鵬告訴記者，目前用來制作鋰離子電池負(fù)極的材料主要是石墨。這種材料有其優(yōu)點(diǎn)，比如造價(jià)低廉、性能穩(wěn)定且十分安全，但它的缺點(diǎn)也十分明顯——對(duì)鋰離子的容納能力不足。這直接導(dǎo)致電池能夠“充入”的電量不多，從而顯著影響電池的續(xù)航能力。 對(duì)此，目前科研人員已經(jīng)研發(fā)出新的替代方案——鋰金屬電池。 “相較于鋰離子電池，鋰金屬電池最大的變化便是將負(fù)極的制作材料由石墨變?yōu)榧兘饘黉嚒！焙谋蛘f，這一改變大幅度提升了負(fù)極對(duì)于鋰離子的容納能力，但同時(shí)也帶來了一系列新問題。 比如，鋰金屬的造價(jià)要比石墨高很多，且鋰元素的性質(zhì)十分活躍，極易與周圍環(huán)境發(fā)生反應(yīng)。“更重要是的，科研人員還要解決鋰負(fù)極與正極以及電解液之間的適配問題。”胡文彬說。 在這個(gè)問題上，目前傳統(tǒng)的電解液設(shè)計(jì)主要依賴溶劑主導(dǎo)或陰離子主導(dǎo)的溶劑化結(jié)構(gòu)，很難同時(shí)兼顧電池能量輸出和循環(huán)壽命的提升要求。 “簡單來說，就是目前的電解液設(shè)計(jì)往往只能集中于電池的一種特性，即要么集中于提升電池容量，要么集中于提升電池的耐久度……總之，不能實(shí)現(xiàn)性能的全面兼顧�！表n曉鵬解釋說，這就好比是一個(gè)嚴(yán)重偏科的學(xué)生，只能有一科成績優(yōu)秀，其他學(xué)科則十分平庸。 胡文彬團(tuán)隊(duì)的目的就是想讓鋰金屬電池這名“偏科生”能夠“全面發(fā)展”。 顯著提升的電池性能 研究中，該團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的“離域電解液”設(shè)計(jì)理念，其核心思路是通過引入多樣化的電解液微環(huán)境，增加溶劑化環(huán)境的無序性，優(yōu)化整體電解液性能。 “離域電解液主要由多種鋰鹽和溶劑組成，為了突破傳統(tǒng)電解液系統(tǒng)的局限，就要實(shí)現(xiàn)在溶劑化結(jié)構(gòu)分布上的點(diǎn)、線、面的跨越，使鋰離子能在多個(gè)局部環(huán)境中協(xié)調(diào)，從而提高鋰離子的擴(kuò)散性，提升電池整體性能�！表n曉鵬說。 為實(shí)現(xiàn)這一目的，研究人員借助人工智能，對(duì)近300種溶劑和100種鋰鹽的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算和評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)溶劑和鹽進(jìn)行分類。通過分析，他們選取了表現(xiàn)最佳的類別，并將其用于離域電解液的設(shè)計(jì)。 為驗(yàn)證離域電解液設(shè)計(jì)的有效性，研究團(tuán)隊(duì)用這種電解液組裝了多款高能鋰金屬電池。在一系列測(cè)試中，電池成功實(shí)現(xiàn)了超過600瓦時(shí)/公斤的能量密度，這已經(jīng)是目前世界范圍內(nèi)能量密度最高的鋰金屬軟包電池，且經(jīng)過100次循環(huán)后，電池的能量密度仍未出現(xiàn)明顯衰減。 “這足以證明了離域電解液顯著提升了電池性能，特別是在能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性方面的優(yōu)越性�！表n曉鵬說。 在安全性方面，研究人員進(jìn)行了一系列的熱失控和機(jī)械沖擊測(cè)試，結(jié)果表明，采用離域電解液的電池在熱和機(jī)械穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出更高的性能，且氣體釋放顯著少于現(xiàn)有的鋰金屬電池，顯示出更好的安全性。 用電池為產(chǎn)業(yè)發(fā)展“松綁” 為進(jìn)一步驗(yàn)證離域電解液在大規(guī)模應(yīng)用方面的的潛力，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)組裝了一臺(tái)3.9千瓦時(shí)的鋰金屬電池組。該電池組的能量密度達(dá)到了480.9 瓦時(shí)/公斤，并在25次循環(huán)后保持穩(wěn)定性能。 受訪時(shí)，胡文彬表示，一旦這種大規(guī)模應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，將在很多方面為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展“松綁”。 “目前，電池能量密度過度，續(xù)航力差的問題束縛著很多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展�！彼允謾C(jī)為例解釋說，對(duì)于消費(fèi)者而言，電池能量密度低導(dǎo)致很多手機(jī)最長也要一天充一次電，否則難以保證正常使用。但如果能將手機(jī)電池的能量密度提升，“一周兩充”將不再是奢望。 這還不是最重要的，因?yàn)殡姵啬芰棵芏冗�直接制約了手機(jī)屏幕的擴(kuò)大以及相關(guān)程序的安裝量，畢竟過大的屏幕以及過多的程序會(huì)消耗更多電量。“但是，如果手機(jī)電池的電量可以提升兩到三倍，手機(jī)的未來發(fā)展將會(huì)得到比現(xiàn)在大得多的空間�！焙谋蛘f。 此外，伴隨著我國低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，無人飛行器的電量問題也將變得越來越明顯�！半娏恐苯又萍s無人機(jī)的飛行里程，甚至引發(fā)‘里程焦慮’�！彼f，類似情況也會(huì)出現(xiàn)在我們對(duì)于深海乃至太空的探索過程中，而解決這些“焦慮”的最主要途徑，就是在保持電池體積大體不變的前提下，大幅提升其能量密度。 “總之，隨著相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)于高能量電池的需求將會(huì)日益增加，而我們的高能鋰電池技術(shù)有望在這些領(lǐng)域提供更高效的能源解決方案，這也是我們未來將繼續(xù)努力的方向。”胡文彬說。 相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09382-4 |
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Delocalized electrolyte design enables 600 Wh kg?1 lithium metal pouch cells 離域電解液設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)600 Wh kg?1 鋰金屬軟包電池 ▲ 作者：He Huang, Yitao Hu et al. ▲鏈接： https://www.nature.com/articles/s41586-025-09382-4 ▲摘要： 高能鋰金屬電池（LMBs）的發(fā)展對(duì)于下一代儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車技術(shù)的進(jìn)步至關(guān)重要。然而，LMB的實(shí)際應(yīng)用受到當(dāng)前依賴于主要溶劑化結(jié)構(gòu)的電解液設(shè)計(jì)的限制，阻礙了性能優(yōu)化的變革式進(jìn)展。 研究組通過一種離域電解液設(shè)計(jì)來解決這一限制，促進(jìn)了更無序的溶劑化微環(huán)境，從而減輕了動(dòng)力學(xué)障礙并穩(wěn)定了界面相。所得到的離域電解液在5.5 Ah、貧電解液設(shè)計(jì)的LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2(Ni90) || 鋰軟包電池中能量密度高達(dá)604.2 Wh kg-1，可穩(wěn)定循環(huán)100次；在5.2 Ah、超貧電解液設(shè)計(jì)（0.9 g Ah-1）的Ni90||鋰袋電池中可穩(wěn)定循環(huán)90次。 此外，70-104 V NCM811||鋰電池組（3904 Wh）具有480.9 Wh kg?1的高能量密度和超過25次的穩(wěn)定循環(huán)。這些結(jié)果表明，在電解液設(shè)計(jì)中需要克服對(duì)主要溶劑化結(jié)構(gòu)的固有依賴，以實(shí)現(xiàn)高能Battery600和可擴(kuò)展的Pack480目標(biāo)。 ▲ Abstract： The development of high-energy lithium metal batteries (LMBs) is essential for advances in next-generation energy storage and electric vehicle technologies. Nevertheless, the practical applications of LMBs are constrained by current electrolyte designs that inherently rely on dominant solvation structures, preventing transformative progress in performance optimization. Here, we address this limitation through a delocalized electrolyte design that fosters a more disordered solvation microenvironment, thereby mitigating dynamic barriers and stabilizing interphases. The resulting delocalized electrolyte delivers notable energy densities of 604.2?Wh?kg?1 in a 5.5-Ah LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2(Ni90)||Li pouch cell with a lean electrolyte design (1.0?g?Ah?1) and 618.2?Wh?kg?1 in a 5.2-Ah Ni90||Li pouch cell with an ultralean electrolyte design (0.9?g?Ah?1), maintaining significant cycle stability over 100 and 90 cycles, respectively. In addition, the 70–104?V NCM811||Li battery pack (3,904?Wh) exhibits a high energy density of 480.9?Wh?kg?1 and stable cycling over 25 cycles. These results demonstrate the need to circumvent inherent reliance on dominant solvation structures in electrolyte design to achieve the high-energy Battery600 and scalable Pack480 targets. |
2樓2025-08-24 07:47:27
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