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《【Energy & Environmental Science】单晶铜箔为降低锂电池的火灾和爆炸风险提供了新的途径》

  • 来源专题：新能源汽车
  • 编译者： 王晓丽
  • 发布时间：2024-10-29

  • 最近取得的进展大大降低了锂（Li）电池爆炸的风险，为更安全、更可靠的储能解决方案铺平了道路。 研究人员已经证明，通过使用含有精确排列铜原子的金属箔来减少树枝状锂生长，可以大大提高电池的安全性和寿命。

    由 UNIST 能源与化学工程学院 Hyun-Wook Lee 教授领导的研究小组在无阳极锂电池中使用了通过创新的非接触式热处理生产的单晶Cu(111)箔。 这种先进的铜箔有助于锂在电池表面的均匀分布，有效防止枝晶的形成。 因此，无阳极锂电池的爆炸风险现在降到了最低。 研究团队通过促进锂在单晶Cu(111)箔上水平而非垂直生长，成功解决了枝晶形成的问题--枝晶是锂堆叠过程中不均匀形成的不规则枝状结构。 枝晶是爆炸风险增加的主要原因，因为它们有可能造成电气短路。 一直以来，充电过程中形成的枝晶是金属锂电池商业化的一大障碍。 该研究小组与包括 IBS 多维碳材料中心（CMCM）主任 Rodney S. Ruoff 教授、国立江原大学的 Sunghwan Jin 教授和韩国科学技术院的 Dong-Hwa Seo 教授在内的著名专家合作，证实了提高锂生长的均匀性可以形成稳定的四面体晶体结构，从而提高效率和安全性。 该论文发表在Energy & Environmental Science杂志上。

    在对各种铜箔上的锂生长模式进行比较研究时，研究小组发现，高米勒指数晶面的不规则排列有助于枝晶的形成。 李教授指出："以前的锂电池研究主要集中在充电方面。 "我们的发现标志着锂电池生长的模式从纵向转变为横向，为实现商用无阳极锂电池提供了一条充满希望的道路。

    原文链接: Min-Ho Kim et al, Horizontal lithium growth driven by surface dynamics on single crystal Cu(111) foil, Energy & Environmental Science (2024). DOI: 10.1039/D4EE01766H

    Journal information: Energy & Environmental Science

  • 原文来源：https://techxplore.com/news/2024-10-crystal-cu-foil-pathways-mitigate.html?deviceType=mobile
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相关报告

  • 《美国开发出抑制全固态锂电池枝晶生长，降低界面阻抗的新技术》
    • 来源专题：先进材料
    • 编译者：李丹
    • 发布时间：2023-11-12
    • 10月25日，美国马里兰大学在国际知名学术期刊《Nature》发表论文，展示了一种抑制全固态锂电池枝晶生长、降低界面阻抗的新技术，该技术方法有望为电动汽车全固态电池生产打开大门。 锂离子电池因能量存储密度高而广受欢迎，但其含有易燃的液体电解质成分，过热时可能燃烧从而引发安全风险。全固态电池尝试绕过该缺点，但依然面临困难。以高能全固态锂（Li）金属电池为例，当电池以电动汽车所需的高容量和高充放电速率运行时，Li负极处的Li枝晶生长和正极处的高界面阻抗会导致短路和容量衰减等问题。 美国马里兰大学科研团队一直以来专注于研究Li电池的失效机制，自2021年开始研究Li枝晶生长的形成理论，提出了重新设计界面层的想法。团队在Li负极和Li6PS5Cl固体电解质之间设计了Mg16Bi84界面层，以解决Li负极侧Li枝晶生长问题，并在LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2正极表面设计了富氟层，以使LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2正极的结构稳定，降低界面阻抗。正负极界面层的设计使全固态电池在2.5 MPa的低堆压下实现优异的电化学性能，其中LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2/Li6PS5Cl/Li电池在2.55 mA cm-2电流密度下实现7.2 mAh cm-2的容量，LiNiO2/Li6PS5Cl/Li电池实现11.1 mAh cm-2的容量以及310 Wh kg-1的能量密度。 Mg16Bi84负极界面层和富氟正极界面层为全固态Li金属电池在低堆压下实现高能量密度和快速充电能力提供了通用设计思路。 据该校主页报道[1]，在产品进入市场之前，研究人员还有其他挑战需要解决。一方面，为了将全固态电池商业化，专家们将不得不缩小固体电解质层，以达到与锂离子电池电解质相似的厚度，提高能量密度。另一方面，基础材料的高成本是一个挑战。同时，为了在2026年之前向市场推出新电池，先进电池制造商Solid Power计划启动试验该项新技术，以评估其商业化潜力。 [1] https://today.umd.edu/new-battery-technology-could-lead-to-safer-high-energy-electric-vehicles
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  • 《锂电池改变世界》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2019-10-11
    • 2019年诺贝尔化学奖为表彰锂电池技术的不断完善和进取，授予了约翰•B•古迪纳夫、M•斯坦利•威廷汉和吉野彰。 “氢氦锂铍硼碳氮氧氟氖钠镁铝硅……”，这是我们初中化学课脑袋发大也要背诵的元素周期表。氢是最活跃的气体，锂是最活跃的金属，甚至与非常稳定的氮都能发生化学反应。用锂来制造电池，如果没有这些伟大的发明家，你的手机就如同一个打开保险盖的手榴弹。 上世界70年代，人们将金属锂作为电极，研发出了锂电池。但由于锂的活跃性，电池起火爆炸问题难以解决。 古迪纳夫可以算是一个杂家出身。在大学学习过古典文学、哲学、数学，仅仅修过两年化学课。二战中参加美军，在太平洋战场上从事气象数据收集。战后回到大学学习物理，博士毕业后又去研究固体磁性。1976年他54岁，进入牛津大学无机化学实验室当主任，才算开始将研究领域转入电池。到上世纪80年代，古迪纳夫发明了相对更加稳定的“钴酸锂”材料，大幅度降低了锂电池易燃易爆的几率，算是把手榴弹的保险盖又盖上了，使其能够成为一种实用的产品能够进入我们的生活。 显然，在古迪纳夫眼中，钴酸锂远未达到理想的状态。1997年，75岁的他又拿出了“磷酸铁锂”材料的发明，进一步提升了锂电池的安全性。至此，他被誉为“锂电池之父”。在90岁的时候，他再次发布了更安全、更廉价、更实用的“全固态电池”技术，避开了锂电池内电解液可能带来的不安全性，算是可以彻底不用担心手机变成手榴弹了。而今年获得诺贝尔奖，他已97岁。 怀廷汉姆研究用层状材料制造电极，将锂离子存储在钛硫化物的片层内。锂离子可以从一个电极穿梭到另一个电极，从而形成可充电电池。吉野彰研究将碳基材料为阳极用于锂电池，再用钴酸锂为阴极，去除电池中的易燃易爆的金属锂，提高了安全性，使锂电池更加实用。正是他们锲而不舍的研究，将锂电池成为改变我们生活最主要的发明之一。 今天，锂离子电池储能技术已经极深地渗透到我们社会生活的方方面面。30多年前，我曾经是一个职业新闻摄影记者，一个头疼的问题是如何保持闪光点有充足电力完成采访。当时我们使用镍氢储能电池，一组四个充电电池只能保证不到一个胶卷36张的闪光照明，而且价格很贵、寿命很短。电池还有记忆，充电前要先放电，一组电池连放带充要十几个小时，麻烦无比。若闪光灯不亮了，你就拍不到需要的照片，回来就无法向总编交差。那时每次出门都要带上一大堆蓄电池，还要带上干电池备用。而今天，如果使用锂电池基本不用担心这种问题。同时，技术的急速进步已将新闻摄影记者这个职业基本淘汰，任何一个记者甚至普通人都可以拿一部智能手机抢拍和发布最及时的新闻图像。 今天，我们的手机锂电池储电量都已超过4000mAh，让手机不仅是一个电话，而且成为几乎无所不能的智能信息终端。在高强度使用的情况下也可支持近十个小时，而且随时可以快速充电，极大的方便了我们的生活，以至于我们拿一部手机就可以行走天下。 1990年，我们在美国见到的第一个手提电脑，要卖2000多美元，CPU是386SX，速度只有16M，电池仅能为维持运行40分钟，而且不到1年就要更换新电池，换一块电池要几百美元。而今天，很多笔记本和平板电脑只卖几百美元，持续使用8小时，重量只有几百克。这除了电子技术的进步，也有电池技术进步的支撑。 电池技术进步让我们从互联网时代走向了移动互联时代，同时也改变了我们的交通和能源系统。日本曾经组织专家评估电池储能技术前景，多数专家不看好锂电池，认为其安全性、储能质量密度、成本都没有前景，所以日本车企押注氢燃料电池并重金投入。但是，没有想到埃隆•马斯克用日本自己生产的钴酸锂电池制造的电动汽车，一次充电居然可以行使600公里，基本替代了传统汽车，让氢燃料电池技术面临“既生瑜何生亮”的窘境。只能用免费提供技术和分享专利来忽悠中国，希望以此分担前期投入的成本。 埃隆•马斯克说：“不要相信业内专家告诉你技术已经登峰造极，任何技术都可能存在创新突破的巨大空间。”这一次三位老先生获得诺奖，恰恰证明了马斯克的判断。锂电池技术进步仍有巨大的空间，将颠覆的是整个世界。 中国国家电网在推进“泛在能源互联网”，一个重要的技术进步，就在于电力储能技术的突破。截至2019年6月，中国新能源汽车保有量达344万辆，其中纯电动汽车保有量281万辆，占新能源汽车总量的81.74%。纯电动汽车的性价比已经接近甚至越过临界点，预计2020年新能源车500万辆保有量的目标有望实现。根据规划，到2030年中国新能源车将达到2000万辆，其中80%是纯电动汽车。目前市场销售的主力车型行驶里程已达到400-500公里，蓄电池容量60-80千瓦时。如果在每辆车每天在用电高峰时段向电网返送10千瓦时电力，就是1.6亿千瓦的调峰容量，相当于现有抽水蓄能电站的5倍，将彻底颠覆既有电力系统的格局。 电网有足够的调峰容量，就可以接纳更多不稳定不确定的光伏和风电，就会有更多的家庭和企业通过分布式能源生产可再生能源电力进行储存或销售。电动汽车充电电池在从汽车退役后，仍可以长时间继续应用于分布式储能，使未来电力系统和今天的互联网一样无处不在并实现移动互动。能源、信息、交通、建筑、工业和农业，将因为电池而融为一体，实现泛在互联，而锂电池在其中担负了至关重要的任务。 中国要特别感谢约翰•B•古迪纳夫、M•斯坦利•威廷汉和吉野彰这三位伟大的发明家，因为中国是这些技术的最大受益者。这不仅是因为中国是智能手机和笔记本及平板电脑持有量最多的国家，他们的技术改变了我们沟通、交流、学习的方式。而且，中国还是电动汽车保有量最多的国家，大量的电动汽车不仅颠覆了我们的交通方式，减少了对石油的依赖，也改善了我们城市的空气质量。同时，中国还是相关产品最大的生产国和出口国，为我们创造了大量就业、税收和财富。 2018年全球前十大动力电池生产商中，中国企业占据7席。其中，宁德时代电池出货量全球第一，达到23.4GWh，第二名松下为20.7GWh，第三名比亚迪11.4GWh，第四名LG化学只有7.4GWh，第7名三星SDI仅有3GWh。2019年1-8月，我国动力电池装车量超过GW的有三家。其中宁德时代遥遥领先，达到13.64GWh，实现装车26.26万辆，占据市场份额的45.5%。 到2020年，中国的锂电池生产能力可以满足116.21万辆电动汽车的产量，其中58.02万辆乘用车，58.19万辆商用车。到2025年，将可满足生产262.47万辆电动汽车，其中150.67万辆乘用车，112.07万辆商用车。到那时，城市里的公交车和市政用车将可全部电动化，而大湾区、长三角和京津冀将可能率先实现交通零排放目标，城市空气质量将从根本上得以改善。 为此，我们应该再一次感谢这些获得诺贝尔奖伟大的发明家，感谢他们坚持不懈的努力，感谢他们用科学改变世界的精神。
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