現(xiàn)在使用的鋰離子
電池,存在有若干缺點或者弱點一直困擾著它。
因此,圍繞電池用的材料,在原子水平的基礎研究,在科技先進的世界各國都在積極地進行研究。
最近,克服了這一系列的弱點,同時具備了高性能特點,全固體電池被研發(fā)出來了。
我們現(xiàn)在常用的鋰離子電池,高容量的同時卻存在容易著火的問題,這就需要另外做針對此問題的很多安全預案。
同時,鋰離子電池很難做到瞬間做到高功率放電。因此,在
電動車等應用場景下,如何跟電容器配合是一個非常重要的課題。
嘗試克服上述這些缺點,發(fā)明新一代電池材料的人之中,就有已經(jīng)堅持了長達三十年電池材料研究工作的東京工業(yè)大學菅野了次教授。
目前菅野教授也在跟豐田、高能加速器研究機構(gòu)(KEK)、J-PARC(位于茨城縣的大強度質(zhì)子加速器設施)在進行共同研究。
電池是通過在正負電極之間的離子傳導體(電解液),正離子的移動通過電子的傳遞的原理從而產(chǎn)生電流的。
具體到鋰離子電池,由于它的離子傳導體(電解液)是液體狀的,而且是易燃的有機化合物,這是它的重大缺點。
針對此問題,菅野教授的研究團隊他們?yōu)榱藢で笫歉咝阅艿墓腆w的離子傳導體,合成了非常非常多的化合物來制作電池做了灰;页6鄿y試。
一路走來,菅野教授回顧到,一開始做出來的電池電壓很低,功率也很低,這種情況持續(xù)了很久。但考慮到目前的鋰離子電池可能存在漏液的問題,導致在應用層面遇到的種種制約,還是下定決心想把電池整體弄成固體。
研究迎來轉(zhuǎn)機的是在2011年,經(jīng)過常年的測試,他們發(fā)現(xiàn)了一種叫LGPS的硫化物材料(LGPS=Lithium,Germanium,Phosphorus,Sulphur。Lithium鋰,Germanium鍺,Phosphorus磷,Sulphur硫),性能可以超過目前的鋰電池。
而這種物質(zhì)的構(gòu)造是怎么樣的,這個問題在位于茨城縣的J-PARC(大強度質(zhì)子加速器設施)里面的利用該設施里的SuperHRPD(Super High Resolution Powder Diffractometer超高分辨度粉末衍射儀)得到了解決。
利用該設備,在該化合物的分子構(gòu)造內(nèi)部清晰觀察到離子沿著直線運動通道。
菅野教授介紹到,在這種前所未有的新構(gòu)造中,在三維的骨骼構(gòu)造中存在著單維的隧道,而離子就在這隧道中運動。
以此為契機,在了解了離子運動的機理的前提下,為了得到更高的離子傳導性以及穩(wěn)定性,進一步改良材料的結(jié)果。
則是在LGPS上加入微量的氯,得到了兩種新的超離子傳導體,他們分別是Li9.6P3S12和Li9.54Si1.74P1.44S11.7CI0.3。
這兩種化合物作為離子傳導體,性能達到了世界最高水平。
而這新發(fā)現(xiàn)的兩種新物質(zhì),通過同屬于J-PARC的茨城縣材料構(gòu)造解析裝置iMATERIA進行了分析。
分析得到的結(jié)果是,鋰離子不是單維的,是三維方方向擴散移動,這是達到高傳導性能的原因。
在眾多新一代電池材料的方案中,成為其中之一項的有力候選。
目前為止的鋰離子電池所處的位置(縱坐標是高功率橫坐標是高容量密度)
新一代的固體電池的定位在這里(無論在功率以及能量密度方面都有提升)
菅野教授介紹,到目前為止聽到的固體電池的好處,一直沒有得到實際驗證。把電池變成全固體的好處首次得到了實證。
利用好全固體電池的優(yōu)點,制造小型化同時大容量,還能做到快速充電的新型電池值得期待。
同時在真正實用化之前確認其安全可靠性,積累工業(yè)量產(chǎn)制造以及大型化的經(jīng)驗還需要很長時間,還需要克服很多問題。
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