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特斯拉动力电池专家取得电池技术突破:锂离子电池使用寿命最高可达100年

栏目:行业    时间:2022-06-18 15:48   来源: IT之家   关键词:

特斯拉的动力电池专家在电池技术上又有突破,相当于电动车终身不用换电池了!

加拿大达尔豪西大学的杰夫·达恩及其团队最近的一项研究表明,锂离子电池的使用寿命可以达到100年这背后的原因是LiFSI被用作电解液的主要物质

杰夫·达恩作为锂电池材料领域的顶级科学家,长期向特斯拉提供锂电池的研究成果这样的现状不得不引起业界更多的关注,这可能会让二氟电解质盐更早的进入电动汽车

Dahn和他的团队发表的论文

研究发现,与最常用的电解质盐LiPF6相比,LiFSI可以使NMC532电池的热稳定性更好,即使电池运行更加安全稳定。

同时,采用新电解液的NMC523电池寿命更长LiFSI电解质盐的电池无论是在20°C的适宜温度下,还是在40°C,55°C的苛刻温度下,都有更好的寿命表现,尤其是在20°C下,电池经过2000次充电循环后容量几乎不会下降,明显强于常见的NMC532和磷酸铁锂电池

如果每周给电池充电一次,使用38.5年后,电池的容量不会明显下降,大大超过了汽车的平均使用寿命。

日前,这篇研究论文发表在《电化学学会杂志》上,引起了国内外媒体的集体围观。

那么,杰夫·达恩及其团队的研究历史是怎样的呢除了电解质盐,这种新型电池还有什么秘密前几天车东熙整理了《NMC532是长寿命低电压LFP电池更好的替代品》一文全文在不改变原有事实的基础上,略加删减,终于找到了问题的答案

先做四种电池进行测试,采用新的实验方法。

其实二氟化物并不是一种新型的电解液原料,只是因为制备工艺复杂,生产成本高,提纯困难,一直没有大规模应用。

但二氟的性能在行业内有目共睹,有可能取代六氟成为未来市场的主流产品在量产之前,Dahn和他的团队也研究过二氟化物

目前业界最常见的两种电池正极材料是三元锂和磷酸亚铁锂所以有四种排列组合进行对比研究,分别是三元二氟化锂,三元六氟氟化锂,磷酸亚铁锂二氟化和磷酸亚铁锂六氟氟化

Dahn和他的团队发现,在之前的研究中,研究人员基本上比较了三元锂电池和磷酸铁锂电池的满电情况,两者都达到了最高电压但由于三元锂电池的电压通常更高,所以在充满电的状态下进行比较是不公平的

在本研究中,控制三元锂电池和磷酸铁锂电池的正电压基本相同,并得出了不同于以往研究的结论:三元锂电池的使用寿命相当长。

在实验准备阶段,研究人员使用NMC532作为电池的正极,人造石墨作为负极,构建三元锂电池核心作为对照,研究人员还制备了204035 LiFePO4作为电池正极,人造石墨作为负极,构建了磷酸铁锂电池芯

三元锂电池和磷酸铁锂电池的关键参数

研究人员在120°C的真空状态下干燥电池14小时,每小时填充4.5g电解质,并在—90kPa的真空下密封。

有两种电解质。

1.将1.5mol六氟溶于重量比为3:7的碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯中,加入碳酸乙烯酯,占总重量的2%这也是量产产品常用的电解液

2.将1.5摩尔的二氟溶解在重量比为3∶7的EC和DMC中,并加入2%的碳酸亚乙烯酯这是实验中的一种新电解液

另外,在一些电池的电解液中加入醋酸甲酯,得到的混合物中醋酸甲酯和EC/DMC的质量比分别为20%和80%。

最终三元锂电池的能量密度为495Wh/L,磷酸铁锂电池的能量密度为425 Wh/L。

在测试方法上,电池在Neware电池测试系统中通过恒流,恒压充电和恒流放电进行循环,其中三元锂电池的电压在3.65V—3v之间,磷酸铁锂电池的电压在3.65V—2.5v之间。

研究人员将电池使用的温度分为三档,分别为40℃,55℃和70℃,三元锂电池使用3000小时,磷酸铁锂电池充放电2000小时后,在测试温度下对电池进行测试检测项目包括三元锂电池负极的X射线荧光光谱分析,涂层电极尺寸和重量的测量等

第二,实验表明电池寿命超过一百年,但需要很多条件。

在实验阶段,研究人员希望通过模拟实验室环境中的实际温度场景,探索不同温度和电解质的电池寿命能持续多久通过大量实验,研究人员绘制了电池状态变化图

1.新型电池:三元锂能量密度更高。

首先,研究人员测试了电池在不同时期的电压和容量等关键参数根据测试数据,可以绘制出充放电后的电池参数曲线

在电池寿命周期的初始阶段,可以明显发现三元锂电池的能量密度高于磷酸亚铁锂。

两种电池的容量和能量密度

2.第一循环:二氟有明显的性能优势。

在完成电池的第一次循环后,可以发现使用新的二氟电解质的电池单元的容量和能量密度更高其中3.65V锂电池的容量和能量密度相对较低,电压升至3.8V时容量可以明显提高,但能量密度没有变化

第一次循环后的容量和能量密度

含二氟电解质的电池在3.65V电压下能量密度明显较高,但在3.8V电压下容量和密度没有明显提高。

观察二氟磷酸铁锂电池电芯,发现其能量密度明显提高,但第一次循环容量几乎不变。

此外,可以发现三元锂电池在电池第一次循环的能量密度和容量上都不如磷酸铁锂电池。

3.1000次循环:二氟电池衰减较少。

当电池完成1000次循环后,可以画一个折线图,显示容量,能量密度,充电电压和放电电压的平均差值V与循环次数的关系。

1000次循环后容量和能量密度的变化

可以发现,当温度为40°C时,二氟电池的容量略高于六氟电池并且伴随着循环次数的增加,总容量也增加在能量密度方面,伴随着循环次数的增加,能量密度降低,但二氟电池的能量密度仍然较高

在55℃的温度下,二氟电池和六氟电池仍然没有太大的差距,但二氟电池的能量密度和容量仍然略高。

当温度达到70℃时,两种电池之间的差距明显拉开,六氟电池的容量和能量密度明显下降,但二氟电池的性能仍然很强。

在电池容量与正负电压关系的线图中还可以发现,当电池充电到3.65V时,二氟电池对温度不敏感,在40°C,55°C或70°C时,温度对正负电压的影响几乎为零,而六氟电池的正电压随温度变化明显。

电池的正负电压曲线

如果电池电压充到3.8V,也有同样的趋势。

4.经过3000小时的循环后,六氟电池衰减更多。

另一张图显示了三元锂电池在3000小时循环和2000小时磷酸亚铁锂循环后的库仑效率,充电终端容量的下降值和容量在每个循环中的变化值。

库仑效率,充电终端容量下降值,每次循环的容量变化图

可以发现,在每次充电中,二氟电池的容量衰减较小,而六氟电池的容量衰减较大这种现象在三元锂电池中更为明显

在库仑效率方面,三元锂电池也明显优于磷酸亚铁锂,也就是说如果电压略低,三元锂电池的寿命会更长这也是为什么三元锂电池的电动车不应该长时间充到100%的原因

5.二氟化锂的寿命明显更长。

之后,研究人员引入了一个对照组,将电池充电至4.2V可以发现,在40°C下,经过16个月的模拟使用后,其容量衰减超过了3.65V和3.8V电池,但其容量仍高于磷酸铁锂电池在55°C温度下,电池容量衰减趋势相似这个实验结果证实了前面的结论

添加4.2V数据后的对比图

从以上研究可以得出结论,二氟电池具有更长的寿命基于之前的测试数据,我们可以画出温度与容量降至80%所需时间的关系图从图中我们可以发现,只要温度在20°C左右,双氟三元锂电池的使用寿命就可以超过100年

不同电池温度与寿命的关系

可是,要实现如此长的寿命,电池需要满足几个硬性条件第一是温度合适,第二是电压低,即不能过充,第三是需要合理控制充电速度,防止镀锂

所以为了延长三元锂电池的使用寿命,使用二氟电解液可能是一条路径但实际上,用户的实际使用场景显然更加复杂,所以100年的寿命可能只存在于实验室场景中

第三,有五个探索方向,包括混合电极。

在获得实验结果后,研究人员还讨论了五个重要问题,并指出了电池技术的未来发展方向。

1.为了克服电极失效导致的容量下降,可以采用更科学的充电策略在前面的分析中,伴随着电池正电压曲线的变化,负电压曲线也会发生变化,从而导致电池容量的降低如果在电极失效后充电到更高的电压,可以再次解锁更多储存的能量但这不是长久之计,因为电压升高,电池的退化会加快经过这样的操作,三元锂电池的寿命可能会更长

2.快充的高阻抗特性:传统三元锂电池在使用过程中,阻抗和内阻的变化会导致正阻抗的增加这意味着,如果你想快速充电,你需要在接近充满时降低费率而改变电解液主体物质后,阻抗的增加相对较小接近满电时,也可以用更高的功率充电这意味着应用于电动汽车时,充电速度可以更快

3.电解液需要革新已经证明含有低粘度溶剂的电解质充电更快但在高电压下运行时,会因为氧化稳定性低而牺牲电池寿命对于三元锂电池,低电压运行时氧化速度会变慢,所以这种电解液可以让电池寿命更长

4.如果使用高镍,低钴或无钴材料,即使电池充电到高电压,也不会出现结构退化与含大量钴的电池材料相比,高镍低钴材料目前成本较高,但能量密度也有所增加当充电到足够高的电压时,这些材料将由于大的电池体积变化而降解如果用于3.80V的较低电压,则可以避免这种结构问题

5.三元锂和磷酸亚铁锂混合电池可以提高正极的性能由于三元锂电池和磷酸铁锂电池的负极配方基本相同,利用率相同,混合电极也可能是一个很好的解决方案但是从这个研究的结果来看,三元锂电池如果在较低的电压下运行,会有更长的寿命,而磷酸亚铁锂就是为了让电池的成本更低

在论文的最终结论中,Dahn和他的团队表示,低压锂三元电池的寿命和能量密度超过了磷酸铁锂电池如果用电设备要求高能量密度,寿命重于成本,低压NMC532三元锂电池更值得投入使用

不同电池的实验结论

但是,这并不是要否定磷酸铁锂电池磷酸铁锂电池在成本和安全性方面更胜一筹

结论:电池技术加速革命。

作为锂电池的先驱,杰夫·达恩在这一领域享有很高的声誉同时,作为特斯拉电池的合作伙伴,他的研究成果举世瞩目伴随着电动汽车的快速普及,人们越来越觉得电池技术需要更快的进步,才能打造出更安全,更稳定的高能量密度,快速充电的电池,这也是业界不断探索创新的领域

Dahn和他的团队也是电池技术革命的重要参与者在电动汽车快速普及的今天,全球将有更多的研究团队继续攻克电池技术,加速产业转型