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阳极材料可确保安全的电池使用寿命

时间:2021-03-22 19:17:43 来源:小编

中国长春的卡尔斯鲁厄技术学院(KIT)和吉林大学的研究人员研究了一种用于未来高性能电池的极有希望的负极材料-具有钙钛矿晶体结构的钛酸镧镧(LLTO)。正如该团队在《自然通讯》杂志上报道的那样,LLTO可以提高电池的能量密度,功率密度,充电速率,安全性和循环寿命,而无需将颗粒尺寸从微米减小到纳米。

阳极材料可确保安全的电池使用寿命(图1)

对电动汽车的需求正在增长,与此同时,对确保可持续能源供应的智能电网的需求也在不断增长。这些以及其他移动和固定技术都需要合适的电池。在尽可能最小的空间中以最小的重量存储尽可能多的能量—锂离子电池(LIB)仍能最好地满足这一要求。该研究旨在提高能量密度这些电池的功率密度,安全性和循环寿命。电极材料在这里至关重要。锂离子电池的阳极由集电器和应用于其的活性材料组成,该活性材料以化学键的形式存储能量。在大多数情况下,石墨被用作活性材料。但是,由石墨制成的负极的充电率低。而且,它们与安全问题有关。在替代活性材料中,钛酸锂氧化物(LTO)已经商业化。具有LTO的负极具有更高的充电速率,并且被认为比石墨制成的电极更安全。缺点是带有钛酸锂氧化物的锂离子电池往往具有较低的能量密度。

KIT储能系统应用材料研究所(IAM-ESS)负责人Helmut Ehrenberg教授周围的团队现在研究了另一种很有前景的阳极材料:具有钙钛矿晶体结构的钛酸锂镧(LLTO)。根据与长春吉林大学(中国)以及中国和新加坡其他研究机构的科学家合作进行的研究,与商业化的LTO阳极相比,LLTO阳极具有较低的电极电势,从而可以提高电池电压和更高的容量。“电池电压和存储容量最终决定了能量Ehrenberg解释说:“将来,LLTO阳极可能会用于构建具有较长循环寿命的特别安全的高性能电池。”该研究为电化学存储研究平台CELEST(电化学储能中心(Ulm和Karlsruhe),是全球最大的电池研究平台之一,还包括POLiS卓越集群。

除了能量密度,功率密度,安全性和循环寿命外,充电速率是决定电池是否适合苛刻应用的另一个决定性因素。原则上,最大放电电流和最小充电时间取决于固体内以及电极与电解质材料之间的界面处的离子和电子传输。为了提高充电速率,通常的做法是将电极材料的粒径从微米级减小到纳米级。这项研究由KIT研究人员及其合作伙伴发表在《自然通讯》杂志上,该研究表明,即使是钙钛矿结构的LLTO中,甚至几微米大小的颗粒也具有更高的功率密度。和比LTO纳米粒子更好的充电速率。研究团队将其归因于所谓的LLTO伪电容:不仅单个电子附着到该阳极材料上,而且还附着有带电离子,这些离子被弱力束缚并可以可逆地将电荷转移到阳极上。“由于颗粒更大,LLTO基本上可以实现更简单且更具成本效益的电极制造工艺,” Ehrenberg解释说。