日本研制出经济实惠又高效能的锂电池

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【大纪元2024年05月18日讯】(大纪元专题部记者吴瑞昌编译报导)锂电池广泛应用于手机、电动车和大型电力储存系统等领域,但它所需要的锂、钴和镍等金属正日益减少。因此,提高其容量、效率、可持续性就成为研究目标。近日,日本一所大学在锂电池加入一些材料,使其变得更有效率和持续性。

锂电池的阴极材料通常有钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、镍酸锂(LiNiO2)及磷酸铁锂(LiFePO4)。不过含有钴、镍的锂电池价格不断提高,因为全球大量使用锂电池导致这些金属开始出现短缺现象。为此,不少人将目标转向地球上最丰富的材料铁(Fe)相关的锂电池上,希望提升其能效。

科学家在研究与铁相关的锂电池产品时发现,磷酸铁锂材料做的锂电池具有高安全、低成本、低毒性、循环寿命长的特性,但能量密度只有170mAh/g左右,因此他们寻求其它铁基阴极材料,最终做出以氧化铁锂(Li5FeO4)为阴极材料的锂电池,表现出300mAh/g的能量密度,且电压与磷酸铁锂差不多。

不过科学家发现,氧化铁锂在充电循环过程中会产生氧气,使该款电池无法真正进入化学的可逆反应,这代表它无法进行正常的充放电循环。

近日,拥有近150年历史的日本北海道大学(Hokkaido University)、东北大学和名古屋工业大学的研究人员,共同研制出新款的可充电的锂电池,只需要在阴极(正极)材料氧化铁锂添加一些常见元素,即可提高它的电能量密度和充电循环能力。这项成果于4月22日表在《美国化学学会材料快报https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.4c00268》上。

北海道大学化学系副教授小林弘明(Hiroaki Kobayashi)对该校的新闻室表示,“我们现在发现,透过将少量丰富的元素(例如铝、硅、磷和硫)掺杂到阴极的晶体结构中,可以显着提高循环性能。”

该团队使用铝(Al)、硅(Si)、锗(Ge)、磷(P)和硫(S)作为掺杂剂,让它们与部分的氧化铁锂的氧分子形成“共价键”,而共价键牢牢的抓住氧原子,使其不会在反应时跑出来阻碍电池进行充放电反应。

“共价键”是原子与原子之间共享电子达到饱和时,形成的一种十分稳定且坚固的化学键,减少了原子与原子之间位置转换,因此它不易受到外来干扰和破坏。

研究结果显示,氧化铁锂电极掺杂磷元素后,其首次放电容量接近365mAh/g,但是经过数次充放电循环后,其电容量出现部分下降;若掺杂硅元素进去,会有近90%的电容量保持率,但电池的氧化还原(可逆性)较低;掺进锗金属或磷后,阴极的性能被大幅增强,且充放电后的电池容量保持率比其它元素高出许多。

实验人员还观察到,氧化铁锂在掺入这些元素后,其能量容量、稳定性及充电和放电循环皆有提升,电池容量保持率从50%增加到90%左右。

研究人员总结道,他们仅用地球上铁、铝、硅、磷和硫等丰富元素,就可以实现让可充电的锂电池提高其能量,有望让锂电池变成具有高能量和低成本的电池。

他们希望,继续研发新的电池技术,为电池的进步做出重大贡献;而下一阶段的研究包括,增加将这些技术扩展到商业化上的可能性。◇

责任编辑:连书华

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