鉬和硫開發(fā)新的混合陰極可以增加未來鋰離子電池的重量和體積能量密度

鋰離子電池由三個(gè)主要部分組成。陰極是在放電期間存儲(chǔ)鋰離子的正電極。陽極是負(fù)電極，其中鋰離子在充電循環(huán)期間被儲(chǔ)存。第三組分是電解質(zhì)，其允許鋰離子在兩個(gè)電極之間自由移動(dòng)。在商用鋰離子電池單元中，陽極通常由碳石墨層制成，其可以在稱為嵌入的過程中保持鋰離子。電解質(zhì)通常是有機(jī)液體材料，陰極由過渡金屬氧化物制成。

鋰離子電池的所有三個(gè)組件都經(jīng)過深入研究，以尋找不僅增加每磅能量輸出(重量能量密度)，而且增加每升能量(體積能量密度)的方法。這兩個(gè)目標(biāo)通常很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)為期一周的課程中，我們將看到兩個(gè)低成本但功能豐富的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)程序：CircuitStudio和KiCad。

麻省理工學(xué)院最近發(fā)布的新聞稿描述了麻省理工學(xué)院和中國的研究人員為開發(fā)新版陰極而開展的工作。在發(fā)布中，該團(tuán)隊(duì)將他們的概念描述為“混合”陰極。這是因?yàn)樗Y(jié)合了兩種不同方法的方面來增加重量能量密度和體積能量密度。新的陰極結(jié)合了一種稱為Chevrel相的硫化鉬和純硫，結(jié)果表明，重量和體積能量密度都可以實(shí)現(xiàn)。

在典型的鋰離子電池中，陰極由過渡金屬氧化物制成，例如鋰鈷氧化物，并且已知為插層型。根據(jù)麻省理工學(xué)院的新聞稿，插層陰極可以“......提供高體積能量密度 - 由于它們的高密度，每體積包裝很多。這些陰極可以保持其結(jié)構(gòu)和尺寸，同時(shí)將鋰原子結(jié)合到它們的晶體結(jié)構(gòu)中。“

還有另一種類型的陰極，稱為轉(zhuǎn)化型，使用硫在結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)化，甚至可以暫時(shí)溶解在電解質(zhì)中。“從理論上講，這些[電池]具有非常好的重量能量密度，”麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程教授，材料科學(xué)與工程學(xué)教授朱莉說。“但體積密度很低，”部分是因?yàn)樗鼈兺枰罅款~外的材料，包括過量的電解質(zhì)和碳，用于提供導(dǎo)電性，“他在新聞稿中補(bǔ)充道。

在他們的新混合系統(tǒng)中，研究人員已設(shè)法將這兩種方法結(jié)合到一個(gè)新的陰極中，這似乎可以改善兩種能量密度。他們使用硫化鉬和純硫的顆粒并壓縮它們以制造固體陰極。“它就像底漆和TNT一樣是爆炸性的，一種速效的，一種是每重量能量更高的一種，”李說。

組合材料的導(dǎo)電性也相對(duì)較高，這減少了對(duì)通常提供導(dǎo)電性所需的碳的需求。Li表示，典型的硫陰極由20%至30%的碳組成，但新版本僅需要10%的碳。

新的混合陰極提供令人鼓舞的結(jié)果。據(jù)新聞報(bào)道，“今天的商用鋰離子電池的能量密度約為每千克250瓦特小時(shí)和每升700瓦特小時(shí)，而鋰硫電池最高可達(dá)每千克400瓦特小時(shí)，但僅限于每升400瓦時(shí)。Li說，新版本的初始版本尚未通過優(yōu)化過程，已經(jīng)達(dá)到每公斤超過360瓦時(shí)和每升581瓦時(shí)。在這些能量密度的組合方面，它可以擊敗鋰離子電池和鋰硫電池。“

隨著進(jìn)一步的工作，李說，“我們認(rèn)為我們可以達(dá)到每公斤400瓦時(shí)和每升700瓦時(shí)，”后者的數(shù)字與鋰離子相當(dāng)。結(jié)果看起來很有希望的一個(gè)原因是研究的方式。該團(tuán)隊(duì)不再測(cè)試容量僅為幾毫安時(shí)的小型紐扣電池，而是生產(chǎn)出容量超過1,000毫安時(shí)的三層袋式電池。通過構(gòu)建與某些商用電池(如電動(dòng)汽車中使用的電池)相當(dāng)?shù)臏y(cè)試電池，他們能夠更好地評(píng)估新型混合陰極的性能。進(jìn)一步的工作將包括改善電池在失去太多電力之前可以經(jīng)歷的充電 - 放電循環(huán)次數(shù)。李說，“......不是陰極的問題”;它與整體電池設(shè)計(jì)有關(guān)，

高級(jí)編輯凱文克萊門斯30多年來一直在撰寫有關(guān)能源，汽車和交通主題的文章。他擁有材料工程和環(huán)境教育碩士學(xué)位以及機(jī)械工程博士學(xué)位，專攻空氣動(dòng)力學(xué)。他在他的工作室里建立了幾個(gè)關(guān)于電動(dòng)摩托車的世界陸地速度記錄。