美国学者研究开发出新型锂离子动力电池体量大为缩减

2014-04-20 18:13:09 admin 176
来源:电子产品世界 / 时间:2011-6-15 15:24:21
  据盖世汽车网2011年6月13日讯 电池新创A123系统公司(A123 Systems)2010年新开设了一家名为24M的公司,该企业最新开发了一种新型电池,可使电动汽车走得更远,成本更低。相关开发的一篇研究论文发表在《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)上,披露了初步细节,说明这种电池是如何工作的。目前,这种电池已经走向市场。
  锂离子电池用于电动汽车和插电式混合动力车,普遍存在着一个大问题,电池体积只有约25%安置的是储存能量的材料,其余的都是由无效材料组成,如包装、导电箔和胶水,这就使电池太笨重,而且占了相当部分的成本。
  24M公司打算大大减少电池中的无效材料。据估计,对比今天的汽车电池组,这篇新论文中的电池可以实现几乎两倍的能量密度。电池具有更高的能量密度,就会更小更便宜,这意味着电动和混合动力汽车将会更便宜。论文中测算,这种电池成本可能低至每千瓦时250美元,相当于现在成本的一半。
  传统的电池组包含几百个电池。每个电池都包含成叠的众多薄薄的固体电极。这些电极配以金属箔集电器(Current Collectors),相互分隔采用塑料隔膜。要增加能量储存,就需要增加更多层的电极材料,而这反过来就需要更多层的金属箔和塑料隔膜。
  24M公司的设计使得在有可能增加能量存储的同时,不需要额外的金属箔和塑料隔膜。关键的区别是,电极不是固体薄膜堆在电池里,而是碱渣状材料存储在容器里,一种是正极材料,另一种是负极。
  这种材料从容器泵入小型设备,它们通过的渠道是刻在金属块上的。当这种情况发生时,离子就会从一个电极移动到另一个电极,也是通过同样的那种隔膜材料(就是用于传统电池的那种),电子会离开材料,进入外部电路。在这个设计中,提高能量储存简单得就像增加贮存容器的尺寸,这一设备使电极互动,可以保持同样的尺寸。这一设计也不需要连接数百个电池,以获得足够的能量储存。
  这种新电池类似于一种叫做液流电池(Flow Battery)东西,其中两种电解质被泵抽着,穿过彼此。但是,传统的液流电池比这种新设计约大10倍,因为它们使用稀释的能量存储溶液(Diluteenergy Storage Solutions),这使得它们不能实际用于汽车。
  以麻省理工学院(MIT)材料科学蒋业明教授(Yet-MingChiang)为首的研究团队,创立了A123系统公司和24M公司。他们实验测试了用于作电极的各种材料,包括锂钴氧化物(Lithium Cobaltoxide)等(这是常见的笔记本电脑电池)。蒋业明说,经实验证明,这种设备可以充电和放电,且速度符合电动汽车的要求。
  论文中还介绍,研究人员如何克服最大的设计挑战——把电荷从碱渣中抽出。在普通的锂离子电池中,电子传递要跳过连接的导电粒子,在固体电极中,直到它们到达集电器。在新的电池中,电子不会流过电解质。因此,蒋业明和同事混合了纳米级碳粒子,混入碱渣;粒子自发形成互联网络,在流体中提供通路,让电子逃逸。
  接下来的挑战依然存在(这在电池可以商业化之前就是这样)。蒋业明说,导电率(Electrical Conductivity)仍低大约100倍,这是对比实际系统而言。他还在努力提高碱渣中活性材料的浓度。
  杰夫·达恩(JeffDahn)是达尔豪西大学(Dalhousie University)物理和化学教授,他指出,要达到所需的电力水平,来驱动汽车,这种电化学电池仍然需要很大体积:隔膜材料(Separator Material)必须覆盖的面积约为3m×4m。它可以切成可操作的片,堆叠起来,但这样会使系统复杂,即使用这种方法,这种电池可能还是体积大,他说。
  “我们正在很好地改进这项技术,”24M公司总裁斯鲁普·万尔德(Throop Wilder)说。“认可了这篇论文,就有力地肯定了这些基本原则,会推动我们的研发。”24M公司有大约20名员工,已筹集到约1600万美元。
  “这是一个非常智能的装置,”达恩说。“我不知道,这是否会不仅仅是论文中的一个想法,但蒋业明此前已经使人惊讶。”