改变微结构可改善基于有机的固态锂 EV 电池

迄今为止，只有 2% 的车辆实现了电气化，但预计到 2030 年这一比例将达到 30%。

提高电动汽车 (EV) 商业化的关键是提高它们的重量能量密度——以每公斤瓦时为单位——使用更安全的，易于回收的材料丰富。与现有的选择（例如 240 Wh/kg 的石墨）相比，阳极中的锂金属被认为是提高 EV 电池能量密度的“圣杯”，以达到更具竞争力的 500 Wh/kg 能量密度。

休斯顿大学卡伦工程学院电子与计算机工程系卡伦教授 Yan Yao 和休斯敦大学博士后 Jibo Zhang 正在与莱斯大学的同事一起迎接这一挑战

在6月17日发表在《Joule》杂志上的一篇论文中，Zhang, Yao和他们的团队证明了通过使用溶剂辅助过程来改变电极微结构，有机固态锂电池的能量密度提高了两倍。

美国密歇根大学的陈朝阳、郝芳、梁艳亮、艾青、美国莱斯大学的唐基·特里尔、郭华、娄军共同撰写了论文。

通过显着提高活性材料的利用率，溶剂辅助微结构将电极能量密度提高到 300 Wh/kg，而干混微结构的能量密度略低于 180 Wh/kg。图片来源：休斯顿大学

“我们正在开发低成本、地球丰富、无钴的有机阴极材料，用于固态电池，将不再需要在矿山中发现的稀有过渡金属，”Yao说。“这项研究在使用这种更可持续的替代能源提高电动汽车电池能量密度方面向前迈进了一步。” Yao 也是德州大学超导中心(TcSUH)的首席研究员。

任何电池都包括一个阳极（也称为负极）和一个阴极（也称为正极），它们在电池中由多孔膜隔开。锂离子流过离子导体——一种电解质，它允许电子充电和放电，从而产生电力，例如，一辆汽车。

电解质通常是液体，但这不是必需的——它们也可以是固体，这是一个相对较新的概念。这种新型电池与锂-金属阳极相结合，可以防止短路，提高能量密度，并加快充电速度。

阴极通常决定电池的容量和电压，由于使用钴等稀有材料，阴极随后成为电池中最昂贵的部分——到 2030 年将达到 65,000 吨的缺口。钴基阴极由于其优异的性能，几乎专门用于固态电池；直到最近，有机化合物锂电池 (OBEM-Li) 才成为一种更丰富、更清洁、更易于回收的替代品。

“在美国，人们对锂离子电池的供应链有很大的担忧，”Yao说。“在这项工作中，我们展示了通过用从炼油厂或生物炼油厂获得的有机材料，替换基于过渡金属的阴极来构建高能量密度锂电池的可能性，这两者都是美国拥有世界上最大的产能。”

钴基阴极可以产生800 Wh/kg的材料级比能量，或电压乘以容量，OBEM-Li电池也是如此，该团队在早期的论文中首次证明了这一点，但之前的OBEM-Li电池由于非理想的阴极微结构，只能使用低质量分数的活性材料。这限制了总能量密度。

Yao 和 Zhang 揭示了如何通过优化阴极微观结构以改善阴极内的离子传输来提高 OBEM-Li 电池的电极级能量密度。为了做到这一点，我们使用了一种常见的溶剂——乙醇来改变微结构。使用的有机阴极是芘-4,5,9,10-四酮或PTO。

“钴基阴极通常受到青睐，因为其微观结构自然是理想的，但在有机基固态电池中形成理想的微观结构更具挑战性，”Zhang说。

在电极层面上，通过显著提高活性材料的利用率，溶剂辅助微结构的能量密度提高到300 Wh/kg，而干混合微结构的能量密度略低于180 Wh/kg。以前，活性物质的量可以增加，但利用率仍然很低，接近50%。在Zhang的贡献下，利用率提高到98%，能量密度也随之提高。

“最初我正在检查 PTO 的化学性质，我知道它会氧化硫化物电解质，”Zhang说。“这引发了关于我们如何能够利用这种反应的讨论。我们与莱斯大学的同事一起研究了阴极-固体电解质界面的化学成分、空间分布和电化学可逆性，这可以为我们提供线索，解释为什么电池可以如此良好地循环，而没有容量衰减，”Zhang说。

在过去十年中，电动汽车电池的成本下降到其原始成本的近 10%，使其具有商业可行性。所以，十年内可以发生很多事情。这项研究是朝着更可持续的电动汽车迈出的关键一步，也是未来十年研究的跳板。按照这个速度，也许就像委婉的字面意思一样，另一边的未来看起来要绿色得多。

文章来源：ednchina

编辑：ymf