无损耗的能量

对于混合动力电车(结合电力及标准内燃机的车辆)来说,锂离子电池往往被吹捧为大有前途的电源,这主要是因为这些电车只需相对较小的电池就可以提供大功率及能量。但是在这些电池完全应用到混合动力汽车领域之前还有一些问题尚待解决。

锂离子电池通常使用锂锰氧化物尖晶石(LMO)作阴极,由于其在功率、安全性及成本方面颇具优势。然而,LMO阴极经常和碳阳极结合,这种电池在使用时两个电极都迅速退化,从而减少电池的寿命。此外,当电池高功率充电时,锂金属沉积到碳阳极,并最终形成连接两个电极的树型结构,造成电池短路、热失控等危险,因此并不是汽车发动机的理想零件。

Khalil Amine及其团队在一项新研究中基于以前的建议,提出了一种碳阳极的替代方案,从而改进电池的寿命及安全性。如果碳阳极替换成锂钛氧化物(LTO),那产生的电池将不会出现危险的锂增加以及电极退化的现象。然而,相对碳阳极,LTO阳极的电导性较低,导致混合动力汽车的功率输出太低。

Amine及其团队决定尝试加大LTO阳极的表面积,因为这样能提高电池的功率输出,并弥补阳极的低导电性。以前的这类尝试都采用纳米阳极粒子进行隔离,但是粒子的低存储密度及混合动力汽车的大功率需求需要不切实际的巨大电池。

这正是Amine及其同事作出创新的地方。他们创建了一种用作阳极的新LTO结构:即一列由数百万纳米级粒子组成的微米级粒子。这种紧凑的纳米多孔结构使得电解质自由地在结构中流动并经过巨大的表面积。此外,纳米级粒子的微小尺寸允许锂离子从阳极的任何部分快速扩散到电解质中。这些都可以产生较高的功率输出。

相应地,新电池取得良好的测试结果。与碳-LMO电池相比,相同大小的新电池能产生3倍的能量。由于新电池组更小巧,因此能在降低成本的同时满足同样的功率要求。这种新电池在高温条件下充放电1000次之后的充电容量仅出现很小的变化,而碳-LMO电池则失去约25%的充电容量。而且,在高温条件下也不像碳-LMO电池那样过热;在非常寒冷的条件下也能更好地使用。此外,新电池甚至还可以在钢钉钉入电池后继续使用,而钢钉钉入碳-LMO电池后会在使用时发生爆炸!

新纳米结构LTO阳极的开发产生了一种具备优良安全性、大功率输出及长寿命的新型电池。这种电池符合甚或超出了美国先进电池财团(United States Advanced Battery Consortium)制定的有关混合动力汽车的所有要求,将成为未来混合动力汽车在电池选择方面的有力竞争者。

Amine et al., Adv. Mater. 2010; DOI: 10.1002/adma.201000441.