锂基电池替代品或替代昂贵金属

据最新一期的《自然·材料》报道,为了开发锂基电池的替代品,减少对稀有金属的依赖,美国佐治亚理工学院研究人员开发出一种有前景的新型阴极和电解质系统,用低成本的过渡金属氟化物和固体聚合物电解质代替昂贵的金属和传统的液体电解质。

新型阴极由氟化铁活性材料和固体聚合物(一种塑料)电解质纳米复合材料制造。为制造这种阴极,研究人员开发了一种将固体聚合物电解质渗透到预制氟化铁电极中的方法,然后热压整个结构,以增加密度并减少空隙。聚合物基电解质有两个突出优点,一是其在循环时弯曲和适应氟化铁溶胀的能力强,二是能与氟化铁形成非常稳定的柔性界面,解决了先前电池设计中使用氟化铁出现的膨胀和大量副反应等关键问题。

研究人员测试了新型固态电池的几种变体,以分析其在50℃高温下超过300次充电和放电循环的性能。结果发现,增强电池性能的关键是固体聚合物电解质。当与固体聚合物电解质一起使用时,即使在高温下,金属氟化物也显示出非凡的稳定性。这有望带来更安全、更轻和更便宜的锂离子电池。此外,氟化铁的锂容量是传统钴基或镍基阴极的两倍多。而且铁比钴便宜300倍,比镍便宜150倍。

未来,研究人员将继续改进和开发新的固体电解质,以实现快速充电,并在新设计中融合固体和液体电解质,以与大型电池工厂中使用的传统电池制造技术完全兼容。

无论是纯电动汽车还是可再生能源电池,稀有金属都是必要材料。这导致争夺钴和镍等原料的竞争日趋激烈,甚至确保稀有金属已经是国家性课题。因此科学家们才着手发掘替代品,以缓解依赖。新研究现在已经表现出巨大潜力,但下一步,研究者必须要让新型电池与以往稀有金属做电极的锂电池具有同等的容量,且衰减也符合要求,才能真正考虑商品化生产。