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为了延长锂电池使用寿命科学家都做过哪些努力?

来源:贝博app体育官方下载网站 作者:bb平台app贝博浏览:11次更新:2022-04-16 17:37:58

  ~而在这当中,普通使用者,尤其广大电动车用户最为关注的,就是锂电池的使用寿命,

  所以,如何从技术层面去延长锂电池,尤其是电动车锂电池的使用寿命,一直是能源领域一个重要的研究课题,而最近,科学家们在这个领域有了更多更新的尝试:

  近日,澳大利亚研究人员开发出了一项技术,只需在电池电极上增设一个极薄的保护层—只有一个原子厚,就可以大大提高电池使用寿命,有助于电动汽车中的极高能量密度的锂离子电池应用,并降低废电池的环境危害。澳大利亚昆士兰大学 (UQ) 的研究人员表示,这一发现可以将高能量密度电池的寿命延长一倍,至少达到可以日常使用的程度,而不是在几百个充放电循环内就降解。

  这项研究一旦商业化,我们可能会看到续航里程更长、电池续航时间更长的电动汽车。而这一研究的相关论文已发表在《自然通讯》杂志上,包括多位华人研究员。

  主导这一研究的昆士兰大学化学工程学院教授王连洲表示:他们给锂电池的正极“加装”了一层原子厚度的新涂层,这种纳米涂层中加入了镍和镁材料,极其坚固且耐用,而且镍和镁价格便宜,释放的有毒物质也更少。这种新涂层具有很强的附着力,可以牢牢附着在电池的正极上,防止电池材料随时间推移而分解,能大大延长电池寿命。这样处理后的锂电池经历 1000 多次充放电仍能保持性能稳定,比原有电池的充放电次数增加了一倍以上。

  王连洲表示,在工业发展和低碳环保的双重压力下,开发出成本更低、能量密度更高、循环寿命更长的锂电池至关重要。他认为这种新技术有望在消费电子、电动汽车和能源存储等领域有更广泛应用,也希望这一技术能在两三年内实现工业化规模生产。

  对于电动汽车的老大难——续航里程,有人曾经提过,为什么不在电动汽车上装一个类似充电宝一样的充电设施,用以随时给电动汽车充电呢?由于电动汽车的电池包非常重,以Tesla Model S为例,它的电池包由16个电池模块组成,每个电池模块包含444个18650锂离子电池,因此,整个电池包的重量高达1200磅(约544千克)。如此大的电池包,得用多大的充电宝才能给它进行充电呢~

  为此科学家一直都在努力开发一种重量更轻的储能设备,与电池组成混合动力装置,减轻电池包重量的同时能提供同样的能量密度,或者甚至提供额外的动力,增加电动汽车的续航里程。

  超级电容器是一种比较理想的储能装置,它的功率特性优于电池,能够实现大电流的快速充放电,充放电时间快到用秒来计算,此外,容量大,循环寿命特别长,可超过十万次循环。或许有人会问,超级电容器具有这么多的优势,为什么电动汽车不用它来做动力来源而用锂电池呢?那是因为超级电容器有一个致命的短板,它的能量密度非常低(10wh/kg以下),如果用作电动汽车的动力来源,那么电动汽车的重量将会是现在的十倍!

  不过,鉴于超级电容器的众多优势,科学家从未放弃将其研发成新型的储能装置,它的能量密度也取得了一些突破性的进展。就在去年,中科院的科学家获得新技术的重要突破,将超级电容器的能量密度提升至88.1wh/L,使其达到了铅酸电池能量密度的级别(50-90wh/L)。能量密度的提升使学术界看到了超级电容器作为电动汽车动力来源的潜力。

  很多科学家都在试图将其集成到锂离子电池中,混合出新型的储能装置,以提供即时的电力,从而减少锂离子电池的充电和放电循环次数,达到延长电池寿命的 目的。查尔姆斯理工大学的一项新研究开发了一种将超级电容器与锂电池集成的方法,当超级电容器与锂离子电池结合使用时,模拟结果显示,电动汽车锂电池的寿命延长了四倍。超级电容器集成到锂离子电池中,目的是要凸显它的优势,既要保证电动汽车续航里程不变,又不能增加电动汽车的重量,对于能量密度比较低的超级电容器而言,在不增加重量的情况下,科学家只能在材料上花心思。

  NAWA Technology研究机构最近开发了一种比较轻的超级电容器,采用碳和石墨烯纳米技术来制造,可以从电动汽车的再生制动来获取能量,并很快将其提供回电机。他们开发的超级电容器集成到电动汽车的锂离子电池组中,电动汽车保持了相同的续航里程,更重要的是,车辆的重量减轻了30%。

  该研究机构准备将他们的碳纳米管超级电容器制成车身面板,与锂电池一起为电动汽车提供动力。佛罗里达大学的科研人员紧随其后,开发了一种更强大的储能复合材料,在碳纤维电极上垂直排列纳米级石墨烯,碳纤维层带电荷,石墨烯片可提高电荷存储能力,同时将金属氧化物添加到石墨烯上,金属氧化物可提供更高的能量密度。这种超级电容器复合材料具有很多独特的优势,它们重量比较轻,具有显著的冲击和弯曲强度,非常坚固,将它们制成车身外壳,不但减轻了电动汽车的重量,还能承受汽车的碰撞,更重要的是将电动汽车的续航里程增加了25%,同时延长了锂电池的寿命。

  这件事的一个重要原因,还是锂电池价格的上涨:随着电动汽车的需求逐渐旺盛,电池金属原材料价格全面飙升!2021年下半年,仅亚太地区部署的瓦时比2020年同期增长141%,相应的锂金属增长134%,镍增长77%,钴增长75%!

  石油有枯竭的一天,同样的,稀有金属也会有开采完的时候。为了满足道路上日益增长的电动汽车对电池的需求,为了避免将来更大的环境问题,许多科学家纷纷投入研发电动汽车锂离子电池的回收工艺,期望将来成熟的电池回收市场能同时解决这两大难题。

  然而,无论是科学界还是工业界,普遍认为锂电池回收的材料不如商业新材料,这也导致了工业界不愿意采用回收材料。如果回收的锂离子电池不但性能优越,产量高,而且成本还比较低,那将极大地缓解电池材料供应紧张,电动汽车的价格也有望得到大幅度下降。

  最近,伍斯特理工学院的科学家们在学术期刊《Joule》上发表了一篇论文,描述了他们研发的一种锂电池回收工艺非常卓越,使得回收的三元锂电池不但具有优越的电化学性能,电池循环寿命还比市面上最好最新的三元锂电池高了53%.

  我们都知道,目前电动汽车主要使用磷酸铁锂或者三元锂电池作为动力来源,前者能量密度低,循环寿命较长,后者能量密度相对较高,而循环寿命相对较低,科学家一直在苦寻能延长三元锂电池循环寿命的方法。而这项研究的科学家们却在无意中将三元锂电池的寿命延长了53%,而且还是在回收的废旧电池材料上实现的~

  传统的锂离子电池的回收目标是将锂离子电池中的材料重新溶解并分离成不同的成分,再分别对单一成分进行逐个的回收,这导致了回收成本高,效率非常低。而这项研究的科学家们并不打算逐个地回收单一成分,他们开发了一个闭环的锂离子电池的回收过程,结合了湿法冶金和直接回收技术的优点,去除三元锂电池的其他杂质,保留了正极材料,接着用过滤和浸出来分离这些材料,将正极材料中的镍、猛和钴以粉末的形式完整地保存了下来,用于制造新的电池正极。

  他们还会根据比例适当地添加一些新鲜的材料以保证正极材料的成分比例恰到好处,接着他们将这些回收的正极材料制成电池。为了检测回收电池的性能,他们使用市场上最好最新的三元锂电池作为对照。首先在自放电和极冷环境中测试时,回收电池和新电池的性能大体相当。接着,他们检测了电池的寿命,电池寿命分为日历寿命和循环寿命。在日历寿命检测中,电池放置了384天后,回收电池的容量保持了88.43%,而新电池容量保持稍低,为86.89%。

  最令研究人员感到不可思议的是循环寿命,回收电池的循环寿命达到4200次时,容量保持率在80%,同样的容量保持率,新电池的循环寿命仅为3150次;当容量降低到70%时,回收电池的循环寿命居然达到了11600次!而新电池只有7600次循环寿命。(这是实验条件下测试的循环寿命,所以比车辆实际使用的循环次数高)

  回收电池的性能优越于市场上最好的新电池,这可能很多人不敢相信。于是研究人员将新旧电池拆开,进行X射线拍摄,图像显示,回收的电池内部裂纹更少,力学性能更好,电池内部充放电导致的机械力应变是影响电池寿命的一个重要因素。扫描图片显示,回收电池内部具有更大的孔洞,而且分布均匀,这能更有效地缓解锂离子嵌入和脱嵌时引起的应力集中,降低了裂纹的产生,从而延长了寿命。

  目前,这个研究团队已经针对研发的技术申请了专利并成立了一家名为Battery Resources的公司,开始销售他们的回收材料,这些回收材料无论是在性能还是成本上都胜过新材料。或许,下一代电动汽车有望在价格和续航能力上得到很大的改善~

  在锂电池的规模化生产时,对制备工艺和环境都有着很高的要求:干燥,洁净等等;所以一般是需要使用真空手套箱来配合生产线进行生产的:手套箱是作为一个全密闭的腔体,把腔体内外的环境完全隔绝开,腔体的一面安装有视窗 和手套,操作人员通过手套对腔体内的物料进行操作:在操作前,对整个箱体抽真空,把箱体内空气完全抽掉,降低水氧含量至0.1ppm以下,然后填充惰性气体气体进行生产。

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