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今天看到【自然】杂志的一篇论文,真的令人难以置信,只需要把锂金属电池完全放电,让它休息几个小时,就可以恢复它失去的容量,延长循环使用寿命。你知道这意味着什么吗?如果得到验证,这绝对是一个革命性的突破发现,因为它将对锂电池领域产生根本性的影响。
这项研究来自美国斯坦福大学工程学院材料科学与工程系崔毅(音译)教授和博士生张文博(音译)领导的团队。
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给你一个不买电动汽车的理由,你会选什么?你会说,啥?才一个理由,我有三个,充电慢!续航短!怕燃爆!对了,还要加上一个,冬天了怕趴窝!这也是现在电动汽车热火朝天,但很多人仍处于观望状态的主要原因,而所有这些问题,都可以归结到一点上,现有锂离子电池还不能让人省心、放心、安心。
但即使这样,短期内可能也解决无望,因为目前的锂离子电池已经是大浪淘沙,优中选优的最好结果了,是电动汽车动力电池最成熟最稳定的解决方案,并且已经来到了天花板。目前市场上的锂离子电池中,石墨负极约占70%,而石墨负极的理论容量只有372mAh/g,现在最好的量产电池已经做到了360mAh/g,这意味着已经没有什么提升的空间了,瓶颈效应非常明显,电动汽车已经被石墨卡住了脖子。
电动汽车要发展,要突破,要让更多人买,显然电池是最大的关键。目前的发展方向主要有两个,一是用其他材料取代石墨负极,提高锂离子电池的能量密度,二是研发能量密度更高更安全的固态电池。固态电池是另一个体系,可能会在2030年代成熟,在此我们就不展开说了。
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那么作为取代石墨负极的方案,目前主要有两种,一种是硅负极,理论容量最高达4200mAh/g,是石墨的10倍以上,但它充放电过程中会膨胀,最高达三四倍,导致结构损坏,因而无法直接作为负极材料使用,目前主要是通过掺杂、复合、硅氧化、纳米化等方式改性,但大多还处于研究阶段。特斯拉的4680使用了硅碳负极,并且已经量产,能量密度可以达到300Wh/kg,但产能还不足,而且还需要时间去验证。
另一种方案就是直接使用锂金属作为负极,锂金属负极具有所有金属中最低的质量密度0.53g/cm3,和所有材料中最低的阳极电位-3.04V ,以及高达3860mAh/g的理论能量密度,同样是石墨的10倍以上,因而被称为是动力电池的圣杯和终极梦想。
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因为这将赋予锂金属电池最优异的功能特性,同等质量下,能量密度将比现有锂离子电池提升一倍以上,这意味着续航里程也会增加一倍以上,可以完全解决人们的续航焦虑,特斯拉的model 3可以跑1200公里,你买不买?
但锂金属负极有两大致命问题,让它作为负极材料迟迟难以落地。一是锂枝晶,在不断的充放电过程中,锂金属负极表面极易形成锂枝晶,长到一定程度就可能刺穿隔膜,导致电池短路等安全隐患。
二是「死锂」,这是在放电过程中,由于锂枝晶根部电流密度更大,容易发生断裂,从而导致枝晶转化为不可利用的「死锂」,加速电池的性能衰减和寿命缩短。
这两大问题的存在,导致锂金属电池库仑效率低、容量衰减快,还会消耗电解液,安全问题仍然得不到解决,阻碍了锂金属电池的发展。尤其是容量衰减快,让锂金属电池循环寿命很短,无法成为车规级的动力电池,谁愿意买充不了几次电就只能跑几十公里的电动汽车呢?
而斯坦福大学的研究,可能已一举解决了这些问题,让续航轻松超过1000公里的电池有望成为现实。
刚才我们已经谈到造成这一切的最大原因,简而言之就是充放电过程会导致锂枝晶和死锂,日积月累下来,影响电池寿命和安全。斯坦福大学在以前的研究中发现,当锂金属电池处于闲置状态时,SEI隔膜会开始溶解,记住这一点。这个SEI膜是锂离子电池首次充电时,在负极表面形成的钝化膜,对锂离子具有优良的导电性,并阻止溶剂分子通过,可以大大提高电池的循环和使用寿命,对锂电池来说至关重要。
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而锂枝晶和死锂就在SEI膜上生长和堆积,导致电池迅速老化,甚至可能刺穿隔膜形成安全隐患。当科学家们发现电池闲置,隔膜在溶解时,立刻产生了一个非凡的主意,有没有可能通过这个办法清除死锂和锂枝晶呢?研究人员于是对电池进行完全放电,将负极上的金属锂全部剥离,这时候剩下的就只有SEI膜上的非活性死锂碎片了。
然后他们将电池静置了一个小时,并通过仪器观察分析,结果发现,电池的库仑效率竟然大于100%,这是怎么回事呢?库仑效率又叫放电效率,是指放电容量和充电容量之比,大于100%,难道电池失效的容量已经恢复了?科学家们随即通过延时视频显微镜进行观察,结果发现,一些残留在SEI膜上的死锂已经溶解,变成可以与负极重新连接的「活锂」了!这意味着只需要简单地让电池放电「休息」,就可以恢复以前损失的容量,并延长它的循环寿命。
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这个发现无疑极为重要,甚至可能是革命性的。科学家们认为,一辆典型的电动汽车可能有4000个电池,只需要对电池管理软件重新编程,通过将电池轮流放电,容量清零,静置休息,无需其他任何成本,也无需改变设备、材料或生产流程,就可恢复电池容量并延长使用寿命。
这是不是已经一举解决了锂枝晶和死锂问题,并且电池的循环寿命已经不再是问题?即使目前研究中的锂金属电池循环次数有限,通过电池管理似乎也可以让它无限循环下去,如果锂枝晶和死锂能定期清除,电池的安全也就不再是一个问题,而目前研究中的锂金属电池又都可以快充,再加上它完美的续航里程,那么锂电池所有让人忧心而又焦虑的问题,是不是都迎刃而解了呢?
这项研究发表在2月7日的【自然】杂志上,注意,这项研究是针对可充电锂金属负极电池的,使用的电池模型也是锂铜半电池和无负极电池,并不是实用或量产电池,研究人员也没有说目前的锂离子电池能不能通过这种方法恢复容量。换句话说,这个方法才刚刚发现,我也没有看到网上有更多的解读和讨论,感兴趣的朋友可以下载阅读这篇论文,标题我放在评论区里。
论文标题:Recovery of isolated lithium through discharged state calendar ageing