作为目前电池领域的“主力”,全固态锂离子电池正面临能量密度有限、伴随锂枝晶的安全隐患、锂元素原料供应紧缺等多重挑战。谁将是“下一代电池”的有力竞争者?全固态氟离子电池有望成为一股“新势力”。 近日,中国科学技术大学教授马骋团队设计出一种新型氟离子固态电解质——钙钛矿氟离子导体,首次实现室温下全固态氟离子电池的稳定长循环,在25℃下持续充放电4581小时后,容量没有发生显著衰减。相关研究成果日前发表于Small。 这一成果创造了全固态氟离子电池领域循环时间最长、容量保持率最高的世界纪录,让人们看到未来电池多元化发展的希望。 将“不可能”变“可能” “这一成果最重要的意义在于它是一种‘从0到1’的突破。”马骋介绍,由于缺乏合适的电解质,氟离子电池在很长一段时间内并不被业界看好,相关研究也极其稀少,而新型固态电解质的发现则将“不可能”变成了“可能”。 3年前,《科学》曾报道过一种可以传输氟离子的有机液态电解质,被誉为是氟离子电池“里程碑”式的工作。但由其组成的氟离子电池在室温下仅实现不到10个循环的稳定充放电,因此离实际应用还存在较大距离。 马骋介绍,构筑可传输氟离子的液态电解质极其困难,即便成功也存在安全隐患。如果能使用不可燃的无机固态电解质构筑全固态电池,毫无疑问将更有实用价值。 但是,这一技术路线颇具挑战——氟离子固态电解质的离子电导率大多偏低,只能在高温下工作;少数全固态氟离子电池虽然可在室温下充放电,但电化学窗口极窄,充放电不到10次容量就几乎衰减为0,没有实际应用价值。 在氟离子电池液态电解质存在“死结”的情况下,能否避开液态电解质直接探索固态电解质? “离子越小、电荷越少,就越有可能在材料中快速迁移,从而成为合适的电池载流子。”马骋说,作为固态电解质的载流子,锂离子是除了氢阳离子外半径最小、电荷最少的阳离子,氟离子则是除了氢阴离子外半径最小、电荷最少的阴离子。 在找不到比锂离子更好的阳离子的情况下,氟离子作为与锂离子最接近的阴离子,是一个值得尝试的方向。 由于可借鉴的案例不多,马骋团队几乎是从“零”起步。他们历时两年研发的新型氟离子固态电解质——钙钛矿氟离子导体,采用了特别有利于阴离子传输的钙钛矿结构,在具备高离子电导率的同时,还拥有较宽的电化学窗口,突破了过去“高离子电导率”与“宽电化学窗口”不能兼得的重大技术瓶颈,且对于潮气的稳定性远超全固态锂电池常用的硫化物和氯化物固态电解质。 基于这一固态电解质的氟离子电池,性能远超《科学》报道的基于液态电解质的氟离子电池。业内人士认为,这一重要突破让人们看到全固态氟离子电池实用化的可能。 这个领域“有奔头” “这是一个存在很多挑战,但前景极为诱人的领域。”马骋说,研究中最能给自己带来乐趣的就是克服这些“看似不可能”的挑战。 与采用液态电解质的锂离子电池相比,全固态锂电池能量密度和安全性能均有很大提升。但与全固态氟离子电池相比,其能量密度、安全性能、原料供应的上升空间仍相当有限。 马骋透露,全固态氟离子电池理论能量密度最高可接近每升5000瓦时,约是目前商业化锂离子电池能量密度的8倍,也超过正在研发的锂空气电池。 就安全性能而言,全固态锂电池锂枝晶生长造成短路一直是难以克服的瓶颈。氟是电负性最强的元素,极难转变为相应的单质,不易形成锂枝晶,因此基于不可燃无机固态电解质的氟离子电池,安全性能无疑更好。 此外,氟元素地壳丰度约是锂元素的50倍,氟离子电池在原材料供应方面的压力远低于锂离子电池。马骋告诉《中国科学报》,我国萤石(主要成分氟化钙)资源在全球优势明显,氟离子电池可以充分利用这一优势。 “小荷才露尖尖角”

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蔚来固态电池 1月9日,蔚来发布了固态电池包,总电量可达150kWh电池包,装配在ET7上,续航里程将超过1000km。 蔚来方面表示,该电芯密度达到360Wh/kg,电池包能量密度能提升50%。   蔚来汽车官方透露,搭载这种技术的蔚来电动车预计将于2022年第四度交付。这是首款明确确定了量产商用固态电池的车型。   可以看到,作为最有希望的下一代电池,固态电池似乎已经到达产业化应用的前夜。   被称为下一代的电池技术有很多,除了固态电池,还有锂空气电池、锂硫电池等等。   这些技术的进展如何?优势和短板又有哪些?   2021年1月9日,国轩高科第十届科技大会第二天,中科院物理所研究院李泓、厦门大学教授董全峰和中国科学技术大学教授陈春华就对上述三种技术的进展状况进行了阐述。 1 固态电池有望率先量产   蔚来日上,蔚来透露,采用的固态电池采用了原位固态化技术。根据《电动汽车观察家》目前掌握的信息,北京卫蓝新能源科技有限公司一直在研发原位固态化技术,很有可能就是蔚来的供应商。   所谓原位固态化,通俗一点说就是把液体转化成固体,比如说先加入液体,加入液体之后就液体能够跟颗粒很好的浸润包覆,然后再将液态转化为固态。这样也能做到原子尺度的结合,而不是宏观的把它们(电极材料和固态电解质)压在一起解决。

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剑桥大学通过先进的技术,用石墨烯构造高度多孔,海绵状的碳电极,再加入一些添加剂使之保持化学稳定,解决了之前的锂空气电池易爆炸的问题。同时,剑桥大学也在努力的让它可以不用过滤空气当中的二氧化碳,氮和水,直接用空气就能够运行。

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