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    我國科學(xué)家巧用“可樂”破解鋰電能量焦慮

    2024-06-06 08:43:58 太陽能發(fā)電網(wǎng)
      上海交通大學(xué)講席教授黃富強(qiáng)團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)助理教授董巖皓團(tuán)隊(duì)將三元電池材料浸入可樂中,發(fā)現(xiàn)二氧化碳?xì)馀輹ㄏ虬姵夭牧项w粒,形成部分鋰離子空位,將地球儲量豐富的鈣離子填充進(jìn)空位后生成的表面鈍化層可大幅提升正極材料的穩(wěn)定性,緩解鋰離子電池能量焦慮。該成果近期發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)材料》。

      黃富強(qiáng)介紹,在可樂中插入一根紙吸管,飲料中的氣泡會加劇產(chǎn)生、甚至溢出。這是因?yàn)榇植诘募埼鼙砻鏋榭蓸分械亩趸继峁┝素S富的成核位點(diǎn),在微觀結(jié)構(gòu)中形成了連續(xù)的二氧化碳膜。

      利用該原理,團(tuán)隊(duì)用三元電池材料取代紙吸管,其粗糙表面也會為二氧化碳?xì)馀萏峁┴S富的成核位點(diǎn),促進(jìn)二氧化碳?xì)馀菖c三元電池材料的化學(xué)反應(yīng),從而生成表面高度均勻的“碳酸鋰基底層”并留下一些鋰離子空位,研究人員將這一過程稱為“氣泡靶向封裝”。

      團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn),“碳酸鋰基底層”還是室溫下?lián)诫s各種金屬離子的優(yōu)良基底。以地球儲量豐富的鈣為例,將鈣離子摻雜進(jìn)“碳酸鋰基底層”,部分鋰離子空位會被填充形成具有極高彈性的含鈣離子的碳酸鋰“表面鈍化層”。“表面鈍化層”不僅有助于抵抗三元正極界面間的副反應(yīng),抑制氧氣的析出,減少材料相變,提升正極材料的穩(wěn)定性,還能作為“緩沖器”,緩解電池材料外表面與內(nèi)部晶界的應(yīng)力,系統(tǒng)提升電池能量密度。



    可樂氣泡靶向封裝與摻雜金屬離子表面鈍化技術(shù)示意圖(受訪者供圖)

      團(tuán)隊(duì)引入“堆積因子”計(jì)算模型,用于指導(dǎo)彈性“表面鈍化層”的構(gòu)建。“堆積因子”簡單講,就是材料的實(shí)際體積除以所占空間體積。堆積因子的數(shù)值越低,意味著材料晶體結(jié)構(gòu)的堆積越松散,表面鈍化層的彈性越高。計(jì)算結(jié)果證實(shí),鈣、鋁、鍶、稀土離子都是堆積因子較低、能構(gòu)建出理想的超高彈性表面鈍化層的優(yōu)異摻雜離子。

      電池測試表明,三元鋰電在1C倍率、100次循環(huán)后,容量保持率高達(dá)91.2%;當(dāng)電壓進(jìn)一步提升至4.8V時(shí),三元鋰電正極材料可擁有918Wh/kg的超高能量密度和100次循環(huán)后89.5%的優(yōu)異容量保持率,優(yōu)于市場主流高鎳/超高鎳正極材料。將“氣泡靶向封裝+表面鈍化”界面改性技術(shù)進(jìn)一步推廣,研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),不僅三元鋰電正極材料可以適用于該界面改性技術(shù),鈷酸鋰、富鋰錳等具有超高能量密度潛力的層狀正極鋰電材料均可適用。

    作者:董雪 來源:新華社 責(zé)任編輯:jianping

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