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美研究出新型电动汽车电池方法

来源:【TRD拓尔德】 发布日期:2021-09-14 分享 加入收藏 关注:90

去年,电池新创企业A123系统企业(A123Systems)开设了另一家企业,称为24M企业(24M),开发一种新型电池,想使电动汽车走得更远,成本更低。现在,一篇研究论文发表在《先进能源材料》(AdvancedEnergyMaterials)上,披露了初步细节,说明那种电池如何工作。它还克服了使电池走向市场的挑战。


有一个大问题,锂离子电池用于电动汽车和插电式混合动力车,只有约25%的电池体积放置的是储存能量的材料。其余的都是由无效材料组成,如包装,导电箔和胶水,这就使电池笨重,而且占了相当部分的成本。


24M企业打算大大减少电池中的无效材料。据估计,这篇新论文中的电池可以实现几乎两倍的能量密度,这是比较今天的汽车电池组。电池具有更高的能量密度,就会更小更便宜,这意味着电动和混合动力汽车将会更便宜。这篇论文估计,这种电池成本可能低至每千瓦时250美金,低于它们现在成本的一半。


传统的电池组包含几百个电池。每个电池都包含成叠的众多多薄薄的固体电极。这些电极配以金属箔集电器(currentcollectors),相互分隔采用塑料薄膜。要新增能量储存,就要新增更多层的电极材料,而这反过来就要更多层的金属箔和塑料薄膜。


24M企业的设计使得有可能新增能量存储,而不要额外的金属箔和塑料薄膜。关键的差别是,电极不是固体薄膜堆在电池里,而是碱渣状材料存储在容器里,一种是正极材料,另一种是负极。


这种材料从容器泵入小型设备,它们通过的渠道是刻在金属块上的。当这种情况发生时,离子就会从一个电极移动到另一个电极,也是通过同样的那种隔膜材料,就是用于传统电池的那种。电子会离开材料,进入外部电路。在这个设计中,提高能量储存简单得就像新增贮存容器的尺寸,这一设备使电极互动,可以保持同样的尺寸。这一设计也不要连接数百个电池,以获得足够的能量储存。


这种新电池类似于一种东西,叫做液流电池(flowbattery),其中两种电解质被泵抽着,穿过彼此。但是,传统的液流电池比这种新设计约大10倍,因为它们使用稀释的能量存储溶液(diluteenergystoragesolutions),这使得它们不能实际用于汽车。


研究人员中,带领人是蒋业明(Yet-MingChiang),他是麻省理工学院(MIT)材料科学教授下,创立了A123系统企业和24M企业,研究人员测试各种材料,用于电极,包括锂钴氧化物(lithiumcobaltoxide),这是常见的笔记本电脑电池。他们证明,这种设备可以充电和放电,速度符合电动汽车的要求,蒋业明说。


文中还先容,研究人员如何克服最大的设计挑战:把电荷从碱渣中抽出。在普通的锂离子电池中,电子传递要跳过连接的导电粒子,在固体电极中,直到它们到达集电器。在新的电池中,电子不会流过电解质。因此,蒋业明和同事混合了纳米级碳粒子,混入碱渣;粒子自发形成互联网络,在流体中供应通路,让电子逃逸。


挑战依然存在,在电池可以商业化之前就是这样。导电率(electricalconductivity)仍低大约100倍,这是比较实际系统而言,蒋业明说。他还在努力提高碱渣中活性材料的浓度。


杰夫-达恩(JeffDahn)是达尔豪西大学(DalhousieUniversity)物理和化学教授,他指出,要达到所需的电力水平,来驱动汽车,这种电化学电池仍然要很大体积:隔膜材料(separatormaterial)必须覆盖的面积约为3米乘4米。它可以切成可操作的片,堆叠起来,但这样会使系统复杂,即使用这种方法,这种电池可能还是体积大,他说。


大家正在很好地改进这项技术,24M企业总裁斯鲁普-万尔德(ThroopWilder)说。认可了这篇论文,就有力地肯定了这些基本原则,会推动大家的研发。24M企业有大约20名员工,已筹集到约1600万美金。


这是一个非常智能的装置,达恩说。我不了解,这是否会不仅仅是论文中的一个想法,但蒋业明此前已经使人惊讶。


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