現(xiàn)在使用的鋰離子
電池,存在有若干缺點(diǎn)或者弱點(diǎn)一直困擾著它。
因此,圍繞電池用的材料,在原子水平的基礎(chǔ)研究,在科技先進(jìn)的世界各國(guó)都在積極地進(jìn)行研究。
最近,克服了這一系列的弱點(diǎn),同時(shí)具備了高性能特點(diǎn),全固體電池被研發(fā)出來(lái)了。
我們現(xiàn)在常用的鋰離子電池,高容量的同時(shí)卻存在容易著火的問(wèn)題,這就需要另外做針對(duì)此問(wèn)題的很多安全預(yù)案。
同時(shí),鋰離子電池很難做到瞬間做到高功率放電。因此,在
電動(dòng)車等應(yīng)用場(chǎng)景下,如何跟電容器配合是一個(gè)非常重要的課題。
嘗試克服上述這些缺點(diǎn),發(fā)明新一代電池材料的人之中,就有已經(jīng)堅(jiān)持了長(zhǎng)達(dá)三十年電池材料研究工作的東京工業(yè)大學(xué)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(jī)構(gòu)(KEK)、J-PARC(位于茨城縣的大強(qiáng)度質(zhì)子加速器設(shè)施)在進(jìn)行共同研究。
電池是通過(guò)在正負(fù)電極之間的離子傳導(dǎo)體(電解液),正離子的移動(dòng)通過(guò)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(dǎo)體(電解液)是液體狀的,而且是易燃的有機(jī)化合物,這是它的重大缺點(diǎn)。
針對(duì)此問(wèn)題,菅野教授的研究團(tuán)隊(duì)他們?yōu)榱藢で笫歉咝阅艿墓腆w的離子傳導(dǎo)體,合成了非常非常多的化合物來(lái)制作電池做了灰;页6鄿y(cè)試。
一路走來(lái),菅野教授回顧到,一開(kāi)始做出來(lái)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(wèn)題,導(dǎo)致在應(yīng)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(lái)轉(zhuǎn)機(jī)的是在2011年,經(jīng)過(guò)常年的測(cè)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(guò)目前的鋰電池。
而這種物質(zhì)的構(gòu)造是怎么樣的,這個(gè)問(wèn)題在位于茨城縣的J-PARC(大強(qiáng)度質(zhì)子加速器設(shè)施)里面的利用該設(shè)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(shè)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)。
以此為契機(jī),在了解了離子運(yùn)動(dòng)的機(jī)理的前提下,為了得到更高的離子傳導(dǎo)性以及穩(wěn)定性,進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)體,性能達(dá)到了世界最高水平。
而這新發(fā)現(xiàn)的兩種新物質(zhì),通過(guò)同屬于J-PARC的茨城縣材料構(gòu)造解析裝置iMATERIA進(jìn)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(kuò)散移動(dòng),這是達(dá)到高傳導(dǎo)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(xiàng)的有力候選。
目前為止的鋰離子電池所處的位置(縱坐標(biāo)是高功率橫坐標(biāo)是高容量密度)
新一代的固體電池的定位在這里(無(wú)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(tīng)到的固體電池的好處,一直沒(méi)有得到實(shí)際驗(yàn)證。把電池變成全固體的好處首次得到了實(shí)證。
利用好全固體電池的優(yōu)點(diǎn),制造小型化同時(shí)大容量,還能做到快速充電的新型電池值得期待。
同時(shí)在真正實(shí)用化之前確認(rèn)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(yàn)還需要很長(zhǎng)時(shí)間,還需要克服很多問(wèn)題。
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