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降低电池起火风险,KIT研究团队采用全新涂层工

时间:2019-11-03 09:03来源:电气电工
麻省理工学院的科学家们开发出了一种新型电解液,他们说,这种电解液有助于锂电池和超级电容器的性能提高,也有助于电池寿命的延长。 据外媒报道,卡尔斯鲁厄理工学院的研究团

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麻省理工学院的科学家们开发出了一种新型电解液,他们说,这种电解液有助于锂电池和超级电容器的性能提高,也有助于电池寿命的延长。

据外媒报道,卡尔斯鲁厄理工学院的研究团队,采用新的涂层工艺,以创纪录的速度生产锂离子电池电极。同时,新工艺提高了电极质量,并降低生产成本。

据外媒报道,英国MI Materials公司、华威大学制造工程学院和Ricardo咨询机构,联手推出i-CoBat项目,旨在开发和演示新型电动汽车电池冷却技术,采用MI Materials公司的可降解介质冷却液MIVOLT,测试浸入式冷却电池组概念。

印度研究人员日前宣布开发出一种可充电的铁离子电池,它以低碳钢为阳极,具备性价比高、可储存电量高等优势。

科学家们将这一概念发表于《自然材料》(Nature Materials)上,文中写道:“这项概念验证工作代表了电化学储能的一种新范式。”

生产电池电极时,电极材料以薄膏体的形式,在铜箔或铝箔上涂成矩形。矩形旁边是无涂层箔片,这是传导电流的必要条件。为了生产这些型材,涂装过程必须反复中断并重新启动。在极快的生产速度下,如何使材料不涂到矩形边缘外,是很大的挑战。对电极涂层来说,精准度是关键,即使是很小的生产误差,也会导致电池无法使用。KIT的Wilhelm Schabel教授说:“由于产量低、废品率高,目前的锂离子电池价格远高于实际价值。”

随着汽车产业向电气化转型,电动汽车使用的高容量电池,面临热管理的重大挑战。电池的工作温度范围较窄,一旦超出限定温度,电池的性能和效率就会下降,并且加速老化。在极端情况下,超过运行上限可能引起电池热失控,发生灾难性故障,并有可能引发火灾。

相关研究成果近期发表在英国皇家化学会期刊《化学通讯》上。论文说,印度理工学院马德拉斯分院研究团队研发的这种铁离子电池,以低碳钢为阳极,五氧化二钒为阴极,电解液为含高氯酸铁的醚基电解液。

这种电解液的独特性在哪里?科学家们在其中添加了一种化合物,他们说这种化合物类似于表面活性剂,可以用来将漏油分散到液体中。他们发现,这种化合物给电解液带来了“新奇的特性”,可以将其在储能和其他行业有多种应用。

Schabel研究组的博士生Ralf Diehm的研究,现已取得决定性进展。他对生产电极材料用的喷嘴进行优化,为其配备振动膜,以周期性停止并重新启动膏体涂层应用。Diehm说:“这种薄膜比机械阀门轻得多,反应速度非常快,从而极大提高生产速度。以前,制造工艺的速度仅为每分钟30到40米。采用新技术后,电极涂层可以达到每分钟150米。“在电极生产中,减少机械部件,不仅可以加快生产速度,还具有进一步的优势:振动膜的控制比机械阀精确得多,可以提高生产质量,降低废品率。

快速充电时,电池产生的热量是正常驾驶和充电时的三倍。目前,电动汽车电池组通常使用风冷却,或者利用水/乙二醇进行冷板冷却或者使用制冷剂。采用这些热管理系统,会限制充电速度和快充次数。为了提升行驶里程,一个可能办法是增加电池组尺寸,但是,这将显著增加成本。

研究显示,这种电池可进行150次循环充放电,在50次循环充放电结束时还能保持54%的电量,显示出良好的稳定性。当在特定条件下制造这种电池时,其能量密度可达每千克220瓦时,约为锂离子电池的60%。而在一般环境下制造出来的这种电池能量密度接近锂离子电池的40%。

研究人员发现,这种材料的能量密度超过了许多其他电解质,即使在高温下,它仍然具有很高的粘性,因此有助于提高电池的安全性和稳定性。

Philip Scharfer博士和Schabel教授研究这一课题已有数年。他解释说,为了使电池生产从更快的电极涂层中获益,生产过程还必须在其他地方进行调整。“涂层更快,干燥时间需要更短。否则,烘干机部分及整个系统就必须相应地扩大。“KIT对不同干燥条件进行基础研究,优化干燥过程,在保持电极性能的前提下,将干燥时间缩短了约40%。

i-CoBat项目由MI Materials公司牵头,是英国政府法拉第电池挑战赛的一部分,该赛事鼓励开发最新的电动汽车电池技术。在i-CoBat项目中,研究人员采用MI Materials公司的可降解介质冷却液MIVOLT,其化学性质可使其成为介质冷却剂,直接将热量从电芯表面移走。这是因为MIVOLT介质液体不导电,可直接与电池组接触。采用MIVOLT进行液体浸入式冷却,可以从热源开始进行热传导,不需要二次间接冷却系统,从而提供更简单的热管理解决方案。

研究人员说,如果以纯铁为阳极,铁离子不容易从阳极移动到阴极并在充电时重回阳极,但低碳钢中存在的少量碳促进了这一循环。他们认为,铁离子电池在充电过程中更稳定,可防止电池短路,且与常用的锂离子电池相比成本也更低。

麻省理工学院(MIT)的一名教授对此解释说,这是由于其分子在与另一种材料(比如电极)接触时,以一种高度有序的结构进行了组装,这种有序的结构有助于防止所谓的过滤网现象——即在电极表面离子分布更分散,或离子多层膜更厚,这会对储能效率产生负面影响。

这项技术大大降低了电池生产成本,有助于满足日益增长的电动出行需求,现将从实验室转到工业生产。未来,KIT将与乌尔姆大学合作开发电池。

这一创新有望提高功率输出和电池寿命,加快充电速度,同时降低成本,有效解决里程焦虑问题。华威大学制造工程学院先进驱动系统教授David Greenwood表示:“这不仅仅是保持电池冷却的问题,而且可以优化操作温度。”

该团队下一步重点是尝试不同的阴极材料,以进一步提高铁离子电池的性能。

这项技术的应用情形可能包括高温储能,事实上,这种电解质在高温下的性能甚至会更好,比锂电池和超级电容器中使用的其他电解质更安全、更不易燃烧。根据研究人员的推测,他们的电解质可以将电池能量密度提高四到五倍,甚至有可能取代电动汽车、固定存储器和消费电子产品中的电池。

目前国内外研讨的铁电池有高铁电池和锂铁池两种。高铁电池是一种以合成稳定的高铁酸盐作为高铁电池的正极材料制作的,具有能量密度大、体积小、重量轻、寿命长、无污染等特点的新型化学电池;另一种是锂铁电池,主要是磷酸铁电池,开路电压在3.0——3.6v,工作电压在2.5V-3.3V,而且放电平稳、无污染、安全、性能优良。

现如今,各种各样的研究让人眼花缭乱,但麻省理工的科学家们认为研究一种新型的材料是件令人兴奋的事情,况且伟大的成果都是从各种研究之中获得的。

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