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王春生:用于鋰離子電池的新型安全電解質
2016-05-27 14:09:19
關鍵詞:CIBF2016鋰電池電池材料

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圖為美國馬里蘭大學王春生博士

   王春生:我先介紹一下馬里蘭大學,我們有一個項目,我們有9個單位參加。最近我們又成立了一個新的中心,是專門研究電池的。

  這里頭我們最開始是2014年我和許康我們倆合作,國家標準局具有很特殊的實驗設備,所以我們就聯系國家標準局讓他們也參加。我們是2014年成立的。我本來應該是24號過來開會的,但是我們是成立了第四次大會,我們已經從三個單位的層面上正式成立了。

  我們有一個指導委員會,在馬里蘭大學出兩個人,還有一個是馬里蘭大學的能源中心主任。NIST有兩個人。這個是紐約鋰電池的咨詢公司。

  這個中心里頭主要是三個單位,這些是國家實驗室,包括海軍實驗室,這是陸軍的另外一個實驗室,我們還有一些學校。

  我們主要的運作方式是成立了一個Consortium,就是吸引有能力的人來交會費。

  我主要講一下電解質。這個是一般的鋰電池,鋰電池我們都知道,它是不安全的,怎么辦?我們就做固態的,它的問題是界面問題,怎么解決這個問題?就是薄膜電池,但是能量密度太低了,怎么辦?變成三維的,你只是增加了它的界面,再一個辦法就是三維的多孔結構。我們采用的辦法是用一種材料,電解質是一樣的,電解質在這里和在這里是一種材料,不同的就是中間放上碳。

  另外一個辦法,負極要膨脹,電解質不膨脹,電解質是一個很大的問題,怎么辦?硬和軟結合在一起,還是容易造成一種穩定的界面的,但是導電性太差了,怎么辦?我們做成復合的電解質。

  用水來做,水是安全的,但是水的問題是,能量密度不行,通常加點鹽可以提高一點,但是也很有限,基本上都是小于2伏的,怎么辦呢?加鹽,把水的活度降低。我們能不能再高一點,2伏不夠,看看有機電解質,其實有機電解質也不高,才3.2伏,如果當電位低于它的穩定值的時候,他就可以又拓寬大概1伏左右。我們要做的是,把鹽加高,讓它分解鹽。

  我們今天想把這三個鏈接在一起,講一下固體電解質和水溶液電解質。今天我要討論兩個問題,一個是水溶液,一個是固態里頭,我們認為用全固態的,用電解質來做電極。

  我先說一下水溶液。水溶液的能量密度主要是取決于電壓和容量,容量是由電極決定的,電解質主要是靠window。這個是它的電位,這是鋰的,水是1.23,這個已經知道了,這基于活動系數是1來說的,加了鹽到了2伏。

  現在我們想用這個,我們看一下水溶液可不可以?試一下。這個是2伏,下面是氫,上面是氧。如果在這個SEI里頭,你看成分,這些是鹽,很多這些都是電解質,這里是水,你在這兒一分解就變成了氫氣,在上面一分解就變成了氧氣。我們把水分解的電壓往下降。我們加了很多的鹽就可以把它降下來,減了很多鹽,鹽的分解就可以讓電壓往上升了。

  我們放了很多的鹽,它可以讓水的活度下降。

  試一下鋰錳氧,我們做了一個2.3伏的,我們跟能源部說我們第一次可以做到這么高的能量密度,他們說再給你們一點錢,然后就給了我們60萬,現在我們已經做到了200瓦時,這個是電極的重量,不是整個電池的。如果按照50%來算的話,我們可以達到100。

  兩年以前我們沒有設想到SEI,只設想到了活度的東西。在你鹽加很多的時候,我們來測一下它的結構,這時候一個鹽里頭的周圍有四個水,外層還有四個水。這個是21膜以后一個鋰上其實就剩下了2.5個水,這2.5個水是固定住的。

  當你在21摩爾的時候,跟固體的鹽基已經很像了,你可以看到氧的含量,它的溶解度是在下降的,導電性和現在的有機電解質也是相當的。

  我們來測一下它變化的性能。先測一下溫度,我們用的是不銹鋼的,我們發現,他可以到1.9到4.9,我們仔細看一下,正常的話應該是1.2,我們放大一下來看看這塊到底發生了什么?如果放大的話,你會看到摩爾上升的時候,如果你拉平的話這個是電流,很下,開始確實是有反應的,到了一定程度之后才開始反應,這塊是這樣的,這塊發生了什么?為什么在這塊會有反應?我們就根據這個結構,我們就算了一下,這塊到底發生了什么反應?我們計算了以后發現當我們加了21摩爾以后,鹽分解的電壓已經從很低的電壓提到了2.8伏。這一塊的分解其實是由于鹽的分解。

  我們再看看分解以后的情況,它分解出了氟化鋰,而且是多晶的。

  我們用兩個正極、負極試一下,看看這個電池是不是好用的?這個是正常的1.2伏,如果你用硫化木(音)的話,它的電流是在這里的,我們用一下鋰錳氧,這是5摩爾、10摩爾、21摩爾,正極也是一樣的。這個是硫化木的充放電。

  我們測了一下自放電,我們看一下這兩邊的能量密度是不是相當的。這個是我們現在報導的電池,這個是我們開始發文章的時候容量,到我們發文章的時候已經可以達到100瓦時每公斤了。

  我們又進一步擴展了一下,做一些能量密度比較低的,但是效果很好的,我們用鋰鐵來做正極,再一個是用高電壓的正極,或者是低電壓的負極,所以我們用二氧化碳試了一下,希望可以提高它的能量密度。

  我們開始是在能量密度80的范圍,后來到了100,最近可以達到了200。200已經和現在的鋰錳氧、鋰鈦氧相當了。我們也試了不同的正極和不同的負極,現在可以大家200了。

  這個是目前的水溶液的正負極,這個是有機電解質的,我們的工作正好在這中間,現在能源部是希望把這個能變到這個上面來(見PPT)。

  這是我們發表的文章,這個是媒體報導的。我們在和公司合作做產業化,最近也是想用在汽車上。

  看來我也不能再講后面這個了。

 

  提問:王老師,我問一下。

  王春生:我把我的主要觀點說一下。我說一下問題在哪兒,這是薄膜的,這是一般電解質的,我認為這還是可以接受的。這個是在負極上的容量,這個是在正極上的容量,這個是非常不穩定的。電解質不穩定,一個可以做正極,一個可以做負極。

  你里頭的電解質不可以用簡單的辦法來處理,你必須要改,改的辦法要參碳?,F在很多人說界面阻力大,其實電解質是不穩定的,它造成了界面的阻力大,我們還沒有談論膨脹,我們沒有談正極,下一步的任務是把正極放在里面。我現在要講的是,這個測試方法要改,第二所有的材料里頭,Lipon為什么好?就是因為它里面沒有金屬,Lipon這個是10的負6,這個是10的負3。LLTO、LLZO這個也是有問題的,這個是要還原的,而且有電子導電,現在是怎么這個問題。

  這個我們做了電池的測試,我們可以把它做成納米的全固態電池。

  這個是我很早以前發的,它就是電子導電的,和鋰反應。我們用了很強大的辦法測試它的兩端。這是一個電池的薄片,這么放上去是沒有電解質的,測導電性的時候又倒回來了。我還可以測出它的導電性和成分的關系。


稿件來源: 電池中國網
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