密歇根大学新研究凯夫拉隔膜让锂电池续航飙升500% 一作为哈工大校友

2022年01月16日 15:57 次阅读 稿源:智能车参考 条评论

锂离子动力电池的续航里程,还有没有继续提升的可能?在业界普遍认为锂电池续航已到极限的情况下,仍不断有人在探寻锂电池更远的边界。比如密西根大学尼古拉斯-科托夫团队最近发表最新论文,论文一作,是出自哈工大的王明强博士。论文最新研究成果,能让锂电池续航里程提升 5 倍,循环使用寿命比当前主流三元锂电池提升 1/4。

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而且提升锂电池能力的秘密武器,只是一种回收自废旧防弹衣的纤维材料:凯夫拉(Kevlar)纤维。

凯夫拉纤维如何改变锂硫电池?

锂硫电池,是电动车动力电池的另一个可能性。之所以说是可能性,是因为此前锂硫电池还有两个问题没有解决:电池容量低,循环寿命短。

但是,一个来自密歇根大学化学科学和工程团队的研究成果:

一种新的受生物启发的电池隔膜,改变了锂硫电池的命运。

这种电池隔膜,通过生物模拟工程整合了两个尺度:分子和纳米尺度。

即让电池膜可以同时拥有类似生物细胞膜的离子选择性和强大的韧性。这个学术团队的带头人尼古拉斯-科托夫(Nicholas Kotov)教授表示,锂硫电池容量低寿命短的原因,主要有两个:

其一,传统的 PP 电池隔膜会被锂硫电池两个电极之间的树突效应穿破,减损寿命。

其二,锂和硫的小分子在正负极之间穿梭过程中,多硫化锂(LPS)会溶解到电解质中,导致容量损失,即锂硫电池的穿梭效应。

所以想要锂硫电池的问题,电池隔膜需要拥有足够的韧性,以防止树突效应穿透。又要在锂和硫的小分子在正负极穿梭过程中,阻止大小与锂离子相当的多硫化锂通过。

基于芳纶纤维(ANF)的电池隔膜,具备类似生物软骨的韧性,可以防止树突效应。同时因为其纳米纤维的顺序沉积,具备良好的离子选择性。

因此基于 ANF 的复合材料,也可以被设计成具有纳米级孔隙率(np-ANF)的分层膜。并且由于多硫化锂层在 np-ANF 表面的自发吸附而具有电荷筛分能力。

尼古拉斯-科托夫团队的数据模拟证实,np-ANF 的带负电的单纳米孔隙强烈地抑制了 LPS 的穿梭,同时提供了 Li + 离子的快速运输。

通俗一点说,尼古拉斯-科托夫团队基于芳纶纤维的电池隔膜,可以为锂离子提供高速公路,但其中的多硫化锂却不能通过收费站。

根据研究结果,这种芳纶纤维的加入,可以将当前主流锂电池的续航里程提升 5 倍,循环寿命可以达到 1000 + 次,相当于比现在主流的三元锂电池寿命提升 1/4 以上。

重要的是,创造奇迹的芳纶纤维,并不是一种什么难以开发的材料。只是一种高韧性纤维 —— 凯夫拉(Kevlar)纤维 —— 的纳米升级版。

而这种材料,可以在废旧的防弹衣中找到并提取。

锂硫电池?

这背后的承载者 —— 锂硫电池,其实也不是新事物。

这种以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的锂电池,早在十年前就进入科研阶段,但至今还未商业化,主要原因还是前文提到的两个问题一直得不到很好的解决。

除了密西根大学的尼古拉斯-科托夫团队,国内在相关领域的研究也有所建树。

早在 2020 年,广东工业大学林展教授团队设计了一种超高氮含量的石墨烯片复合材料作为硫正极载体,可以有效转化吸收多硫化锂,可以在电解液不添加 LiNO3 的情况下实现硫正极也优异的循环稳定性。

还有最近来自华东理工团队也有比较大的进展,他们的研究思路和尼古拉斯-科托夫团队有一定相似性,都是通过生物模拟,将碲化镍电催化剂 ([email protected]),负载在生物质多孔碳 (MSC) 纳米片上用作锂硫电池的隔膜修饰层。

利用碲化镍电催化剂较好的本征导电性及其独特的孔结构和化学活性位抑制多硫化锂穿梭效应。

同时还能对多硫化锂进行催化转化,提升多硫化锂在电池循环过程中的利用率,延长电池使用寿命。之所以吸引国内外众多科研团队数十年如一日投入研究,本质上还是锂硫电池作为动力电池的优势。

首先,相比目前锂电池正极主流原材料金属钴。硫在全球的储量更加丰富,因此价格上来说,更有优势。

同时硫也是一种环境友好型材料,回收处理相对简单。

除此之外,对尼古拉斯-科托夫团队来说,电池膜的芳纶纤维还可以从旧防弹背心中回收。

毕竟他们的研究还美国国家科学基金会和国防部的资助。别的东西可能给不了,但旧防弹背心嘛,要多少有多少。

团队介绍

论文一作王明强,哈尔滨工业大学化学与化工学院博士后。

研究方向:高分子共混与复合材料。

共同一作阿赫梅特-埃姆雷罕-埃姆雷(Ahmet Emrehan Emre),密歇根大学生物医学工程博士。

研究方向:芳纶纳米纤维复合材料的薄膜电池隔膜的制造及纳米生物技术。

通讯作者尼古拉斯-科托夫(Nicholas Kotov),毕业于莫斯科国立大学。

现任密歇根大学化学工程系教授。

论文地址:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27861-w

参考链接:

[1]https://che.engin.umich.edu/2022/01/12/1000-cycle-lithium-sulfur-battery-could-quintuple-electric-vehicle-ranges/

[2]https://www.teslarati.com/lithium-sulfur-kevlar-fiber-life-cycle-issues-resolved-university-of-michigan-research/

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