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今天看到【自然】雜誌的一篇論文,真的令人難以置信,只需要把鋰金屬電池完全放電,讓它休息幾個小時,就可以恢復它失去的容量,延長迴圈使用壽命。你知道這意味著什麽嗎?如果得到驗證,這絕對是一個革命性的突破發現,因為它將對鋰電池領域產生根本性的影響。
這項研究來自美國史丹福大學工程學院材料科學與工程系崔毅(音譯)教授和博士生張文博(音譯)領導的團隊。
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給你一個不買電動汽車的理由,你會選什麽?你會說,啥?才一個理由,我有三個,充電慢!續航短!怕燃爆!對了,還要加上一個,冬天了怕趴窩!這也是現在電動汽車熱火朝天,但很多人仍處於觀望狀態的主要原因,而所有這些問題,都可以歸結到一點上,現有鋰離子電池還不能讓人省心、放心、安心。
但即使這樣,短期內可能也解決無望,因為目前的鋰離子電池已經是大浪淘沙,優中選優的最好結果了,是電動汽車動力電池最成熟最穩定的解決方案,並且已經來到了天花板。目前市場上的鋰離子電池中,石墨負極約占70%,而石墨負極的理論容量只有372mAh/g,現在最好的量產電池已經做到了360mAh/g,這意味著已經沒有什麽提升的空間了,瓶頸效應非常明顯,電動汽車已經被石墨卡住了脖子。
電動汽車要發展,要突破,要讓更多人買,顯然電池是最大的關鍵。目前的發展方向主要有兩個,一是用其他材料取代石墨負極,提高鋰離子電池的能量密度,二是研發能量密度更高更安全的固態電池。固態電池是另一個體系,可能會在2030年代成熟,在此我們就不展開說了。
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那麽作為取代石墨負極的方案,目前主要有兩種,一種是矽負極,理論容量最高達4200mAh/g,是石墨的10倍以上,但它充放電過程中會膨脹,最高達三四倍,導致結構損壞,因而無法直接作為負極材料使用,目前主要是透過摻雜、復合、矽氧化、納米化等方式改性,但大多還處於研究階段。特斯拉的4680使用了矽碳負極,並且已經量產,能量密度可以達到300Wh/kg,但產能還不足,而且還需要時間去驗證。
另一種方案就是直接使用鋰金屬作為負極,鋰金屬負極具有所有金屬中最低的質素密度0.53g/cm3,和所有材料中最低的陽極電位-3.04V ,以及高達3860mAh/g的理論能量密度,同樣是石墨的10倍以上,因而被稱為是動力電池的聖杯和終極夢想。
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因為這將賦予鋰金屬電池最優異的功能特性,同等質素下,能量密度將比現有鋰離子電池提升一倍以上,這意味著續航裏程也會增加一倍以上,可以完全解決人們的續航焦慮,特斯拉的model 3可以跑1200公裏,你買不買?
但鋰金屬負極有兩大致命問題,讓它作為負極材料遲遲難以落地。一是鋰枝晶,在不斷的充放電過程中,鋰金屬負極表面極易形成鋰枝晶,長到一定程度就可能刺穿隔膜,導致電池短路等安全隱患。
二是「死鋰」,這是在放電過程中,由於鋰枝晶根部電流密度更大,容易發生斷裂,從而導致枝晶轉化為不可利用的「死鋰」,加速電池的效能衰減和壽命縮短。
這兩大問題的存在,導致鋰金屬電池庫侖效率低、容量衰減快,還會消耗電解液,安全問題仍然得不到解決,阻礙了鋰金屬電池的發展。尤其是容量衰減快,讓鋰金屬電池迴圈壽命很短,無法成為車規級的動力電池,誰願意買充不了幾次電就只能跑幾十公裏的電動汽車呢?
而史丹福大學的研究,可能已一舉解決了這些問題,讓續航輕松超過1000公裏的電池有望成為現實。
剛才我們已經談到造成這一切的最大原因,簡而言之就是充放電過程會導致鋰枝晶和死鋰,日積月累下來,影響電池壽命和安全。史丹福大學在以前的研究中發現,當鋰金屬電池處於閑置狀態時,SEI隔膜會開始溶解,記住這一點。這個SEI膜是鋰離子電池首次充電時,在負極表面形成的鈍化膜,對鋰離子具有優良的導電性,並阻止溶劑分子透過,可以大大提高電池的迴圈和使用壽命,對鋰電池來說至關重要。
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而鋰枝晶和死鋰就在SEI膜上生長和堆積,導致電池迅速老化,甚至可能刺穿隔膜形成安全隱患。當科學家們發現電池閑置,隔膜在溶解時,立刻產生了一個非凡的主意,有沒有可能透過這個辦法清除死鋰和鋰枝晶呢?研究人員於是對電池進行完全放電,將負極上的金屬鋰全部剝離,這時候剩下的就只有SEI膜上的非活性死鋰碎片了。
然後他們將電池靜置了一個小時,並透過儀器觀察分析,結果發現,電池的庫侖效率竟然大於100%,這是怎麽回事呢?庫侖效率又叫放電效率,是指放電容量和充電容量之比,大於100%,難道電池失效的容量已經恢復了?科學家們隨即透過延時影片顯微鏡進行觀察,結果發現,一些殘留在SEI膜上的死鋰已經溶解,變成可以與負極重新連線的「活鋰」了!這意味著只需要簡單地讓電池放電「休息」,就可以恢復以前損失的容量,並延長它的迴圈壽命。
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這個發現無疑極為重要,甚至可能是革命性的。科學家們認為,一輛典型的電動汽車可能有4000個電池,只需要對電池管理軟件重新編程,透過將電池輪流放電,容量清零,靜置休息,無需其他任何成本,也無需改變器材、材料或生產流程,就可恢復電池容量並延長使用壽命。
這是不是已經一舉解決了鋰枝晶和死鋰問題,並且電池的迴圈壽命已經不再是問題?即使目前研究中的鋰金屬電池迴圈次數有限,透過電池管理似乎也可以讓它無限迴圈下去,如果鋰枝晶和死鋰能定期清除,電池的安全也就不再是一個問題,而目前研究中的鋰金屬電池又都可以快充,再加上它完美的續航裏程,那麽鋰電池所有讓人憂心而又焦慮的問題,是不是都迎刃而解了呢?
這項研究發表在2月7日的【自然】雜誌上,註意,這項研究是針對可充電鋰金屬負極電池的,使用的電池模型也是鋰銅半電池和無負極電池,並不是實用或量產電池,研究人員也沒有說目前的鋰離子電池能不能透過這種方法恢復容量。換句話說,這個方法才剛剛發現,我也沒有看到網上有更多的解讀和討論,感興趣的朋友可以下載閱讀這篇論文,標題我放在評論區裏。
論文標題:Recovery of isolated lithium through discharged state calendar ageing