微结构改变的有机基固态锂电动汽车电池

到目前为止，只有2%的汽车是电气化的，但这一比例预计会达到2030年30％。改善电动车辆商业化（EVS）的关键是加强其重量能量密度 - 在瓦特小时每公斤测量 - 使用更加安全，容易可回收的材料。阳极中的锂金属被认为是为了提高EV电池中的能量密度与在比赛中的240WH / kg中的石墨中的现有选项相比，用于提高EV电池中的能量密度的“圣杯”在500 Wh/kg时具有竞争力的能量密度。

姚燕，休斯顿大学卡伦工程学院电子和计算机工程卡伦教授呃博士后张继博(Jibo Zhang)正与莱斯大学(Rice University)的同事们一起迎接这一挑战。在一个纸6月17日发表在Joule, Zhang, Yao和他的团队通过使用溶剂辅助过程改变电极的微结构，证明了有机固态锂电池的能量密度提高了两倍。陈昭阳，郝芳，梁艳亮呃美国莱斯大学(Rice University)的艾青(Qing Ai)、Tanguy Terlier、郭华(Hua Guo)和楼军共同撰写了这篇论文。

“我们正在开发出低成本，土壤丰富的无钴的有机的阴极材料，用于固态电池，该电池不再需要少年在矿山中发现的稀缺过渡金属，”姚明说。“这项研究是使用这种更可持续的替代方案提高EV电池能量密度的前进。”姚明也是德克萨斯超导中心的主要调查员呃（TCSUH）。

任何电池都包括阳极，也称为负电极，也称为正电极的阴极，其在电池中通过多孔膜分离。锂离子流过离子导体 - 电解质，其允许对车辆产生电力的电子的充电和放电。

电解质通常是液体，但这不是必需的 - 它们也可以是坚实的，一个相对较新的概念。这种新奇，结合锂金属阳极，可以预防短路，提高能量密度并实现更快的充电。

阴极通常确定电池的容量和电压，随后由于使用稀钴材料而导致电池的最昂贵的电池部分 -预计到2030年将达到6.5万吨的赤字。基于钴的阴极几乎完全用于固态电池，因为它们的性能优异;只有最近有基于有机化合物的锂电池（OBEM-Li）作为更丰富，更清洁的替代方案，更容易回收。

“周围有重大担忧锂离子电池供应链姚明说。“在这项工作中，我们展示了制造高能量密度锂电池的可能性，方法是用从炼油厂或生物炼油厂获得的有机材料替换过渡金属基阴极，这两种材料在美国都是世界上产能最大的。”

基于钴的阴极产生800WH / kg的材料级特定能量，或电压乘以容量，如Obem-Li电池，那么第一次展示但由于阴极微结构不理想，之前的obim - li电池仅限于活性材料的低质量分数。这限制了总能量密度。

Yao和Zhang揭示了如何通过优化阴极微结构来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——乙醇来改变其微观结构。有机阴极为芘-4,5,9,10-四酮(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，”张说。

在电极水平上，溶剂辅助微结构通过显著提高活性材料的利用率，将能量密度提高到300 Wh/kg，而干拌微结构仅略低于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%。在张的贡献下，利用率提高到98%，从而提高了能源密度。

张说:“最初我是在检查PTO的化学性质，我知道它会氧化硫化物电解质。”这引发了一场关于我们如何才能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-固体电解质界面相的化学组成、空间分布和电化学可逆性，这可以为我们提供线索，为什么电池可以如此循环而不降低容量。”张说。

在过去的十年中，EV电池的成本拒绝近10％的原始成本，使其成为商业上可行的。所以，十年来，很多。这项研究是在未来十年的研究中朝向更可持续的EVS和跳板的过程中可枢转的步骤。此时，也许只是鉴别般的方式，未来在另一边看起来更加绿色。

- 由Chris Vavra，Web Content Manager编辑，控制工程，CFE媒体和技术，cvavra@cfemedia.com.。