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盖世汽车|科学家发现新型固体材料 有望取代电池中的易燃液体电解质


盖世汽车讯 据外媒报道 ， 斯坦福大学(Stanford University)的科学家发现了一种新型固体材料 ， 可以替代锂离子电池中的易燃液体电解质 。 据介绍 ， 这种由锂、硼和硫制成的低成本材料 ， 可以提高电动汽车、笔记本电脑等电池驱动设备的安全性和性能 。

盖世汽车|科学家发现新型固体材料 有望取代电池中的易燃液体电解质
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斯坦福大学
“典型的锂离子电池拥有两个固体电极 ， 中间是高度易燃的液体电解质 ， ”主要研究人员、斯坦福大学材料科学与工程系的访问学者Austin Sendek表示 ， “我们的目标是设计稳定、低成本的固态电解质 ， 同时增加电池的功率和能量输出 。 ”
有前景的材料
在电池充放电过程中 ， 锂离子通过电解质在正负极之间穿梭 。 大多数锂离子电池使用的是液体电解质 ， 如果电池被击穿或短路 ， 电解质就会燃烧 。 与之相反 ， 固体电解质很少着火 ， 而且可能更有效 。
【盖世汽车|科学家发现新型固体材料 有望取代电池中的易燃液体电解质】“固体电解质更安全、更持久、能量密度更高 ， 有望成为液体电解质的替代品 。 ”主要研究人员、材料科学与工程系副教授Evan Reed称 ， “然而 ， 要发现适用于固体电解质的合适材料 ， 仍然是巨大的工程挑战 。 ”
目前使用的大多数固体电解质都非常不稳定、效率低、价格昂贵 ， 不具有商业可行性 。 Sendek说：“传统固体电解质无法像液体电解质那样 ， 传导那么多的离子电流 。 一旦与电池电极接触 ， 通常情况下 ， 它们会发生降解 。 ”
机器学习
2016年 ， 为了找到可靠的固体电解质 ， Sendek及其同事训练了一种计算机算法 ， 筛选材料数据库中的12000多种含锂化合物 。 该算法在几分钟之内就识别出了大约20种有前景的材料 ， 其中包括四种少见的由锂、硼和硫组成的化合物 。
在目前的研究中 ， 研究人员利用一种名为密度泛函理论的技术 ， 对这四种化合物进行了更仔细的观察 ， 这种技术可以模拟材料在原子层面上的行为 。
结果喜人
当前研究表明 ， 锂-硼-硫电解质的稳定性大约是主流固体电解质的两倍 。 在电动汽车中 ， 这意味着续航里程可能更长 ， 因为电池的稳定性会影响其单位重量可以存储的能量 ， 即能量密度 。
Sendek 称：“特斯拉和其它电动汽车一次充电可以行驶250至300英里 。 但是 ， 如果使用固体电解质 ， 则有可能使锂离子电池的能量密度增加一倍 ， 并使该续航里程超过500英里 ， 甚至可以开始考虑电动飞行 。 ”
从化学意义上来说 ， 常规固体电解质发生降解时 ， 会从良导体转化为不良导体 ， 导致电池停止工作 。 研究预测 ， 当混合在一起时 ， 这四种锂-硼-硫化合物即使分解 ， 也能继续起作用 。 Sendek 指出：“这四种化合物在化学上都是相似的 。 因此 ， 当混合物分解时 ， 每种化合物都可能从一种良导体转变为另一种良导体 。 因此 ， 这些材料可以经受数次降解循环 ， 才分解成不良导体 ， 最终导致电池失效 。 ”
研究还预测 ， 在传导锂离子方面 ， 比起用昂贵的锗制造的固态电解质 ， 锂-硼-硫材料的某些相可能要超出三倍 。 Sendek表示：“如果获得良好的离子电导率 ， 则可以使更多的电流从电池中流出 ， 从而得到更大的动力来为汽车加速 。 ”
目前某些最好的固体电解质是用稀有元素制成的 ， 例如锗 ， 一公斤的价格约为500美元 。 而锂、硼和硫是储量丰富的化学物质 ， 价格为每公斤26美元 。
金属锂
发现一种可行的固态电解质 ， 也将促进锂金属电池的发展 。 这种电池能量密度高、重量轻 ， 是电动汽车的理想选择 。
大多数锂离子电池采用的是石墨负极 ， 而在锂金属电池中 ， 石墨被金属锂取代 ， 每公斤金属锂可以存储更多的电量 。 “锂金属堪称是电池研究的圣杯 ， ”Sendek说 ， “但是 ， 在运行过程中 ， 锂金属电极有可能会发生内部短路 ， 液体电解质对此无能为力 。 固体电解质似乎是我们克服这个问题的绝佳机会 ， 其中锂-硼-硫电解质是很有前景的候选者 。 ”


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