哈佛研發「三明治」鋰電池設計,10 分鐘為電動車充飽電

作者 | 發布日期 2021 年 05 月 17 日 14:05 | 分類 能源科技 , 電力儲存 , 電池 Telegram share ! follow us in feedly


如果哈佛大學的實驗性「三明治」固態鋰電池設計成真,除了可維持上千次的充放電循環,以及更長的使用壽命,還能讓電動車在短短 10 分鐘之內充飽電。

鋰離子電池雖然具有優異的電池容量跟容量密度,奠定手機、筆記型電腦等智慧型電子產品的基礎,讓化石燃料車轉型為電動車、也能用電池儲能系統輔助再生能源發展,但他並非完美無缺,哈佛工程與應用科學學院副教授 Xin Li 表示,這些電池的穩定性一直很差。

鋰離子電池由石墨陽極(負極)與鋰金屬陰極(正極)組成,透過中間的液態有機電解質來傳遞鋰離子,不過隨著衝放電次數增加,電極會形成尖刺樹枝狀的鋰晶枝,最終將長到足以刺穿減緩電流和熱量的隔離膜,使電池內部短路,縮短使用壽命。

目前科學家們主要希望能透過「固態電解質」,取代揮發性高、有腐蝕性的液態電解質,好比哈佛大學提出的「BLT 三明治電池」設計。

如果用培根番茄三明治來比喻電池設計的話,正負兩極就是吐司,疊在正極上方的石墨塗層則是生菜,至於內餡則分為第一與第二電解質,第一電解質有如番茄,把當作培根的第二電解質夾在一起。

(Source:哈佛大學)

之所以要讓第一電解質有如番茄夾培根一樣、把第二電解質包住,團隊表示,這兩種電解質的化學性質不太一樣,晶枝容易滲透第一電解質、但第一電解質與鋰金屬的穩定性較高;第二電解質則相反,鋰穩定性差、不容易受晶枝影響。

雖然新電池設計無法抑制晶枝生長,但是能夠安全且穩定控制晶枝,讓晶枝不會突破「培根」層,還可以透過回填( backfilling)晶枝生長產生的空隙,達成自我修復的效果。實驗指出,電池在1萬次充放電後,仍可維持初始 82% 效率,這種高電流密度更能讓電動車在 10~20 分鐘內充飽電。

論文作者 Luhan Ye 表示,這種多層設計可以引導和控制鋰狀晶體的生長。 Li 也補充,新設計顯示鋰固態電池也能與商用鋰離子電池競爭,多層設計的靈活和多功能優勢,更有機會讓鋰固態電池套用到現有的電池量產技術。

(首圖來源:Unsplash