王春生：用于鋰離子電池的新型安全電解質(zhì)
圖為美國(guó)馬里蘭大學(xué)王春生博士
王春生：我先介紹一下馬里蘭大學(xué)，我們有一個(gè)項(xiàng)目，我們有9個(gè)單位參加。最近我們又成立了一個(gè)新的中心，是專門研究電池的。
這里頭我們最開始是2014年我和許康我們倆合作，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局具有很特殊的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，所以我們就聯(lián)系國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局讓他們也參加。我們是2014年成立的。我本來(lái)應(yīng)該是24號(hào)過(guò)來(lái)開會(huì)的，但是我們是成立了第四次大會(huì)，我們已經(jīng)從三個(gè)單位的層面上正式成立了。
我們有一個(gè)指導(dǎo)委員會(huì)，在馬里蘭大學(xué)出兩個(gè)人，還有一個(gè)是馬里蘭大學(xué)的能源中心主任。NIST有兩個(gè)人。這個(gè)是紐約鋰電池的咨詢公司。
這個(gè)中心里頭主要是三個(gè)單位，這些是國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，包括海軍實(shí)驗(yàn)室，這是陸軍的另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，我們還有一些學(xué)校。
我們主要的運(yùn)作方式是成立了一個(gè)Consortium，就是吸引有能力的人來(lái)交會(huì)費(fèi)。
我主要講一下電解質(zhì)。這個(gè)是一般的鋰電池，鋰電池我們都知道，它是不安全的，怎么辦？我們就做固態(tài)的，它的問(wèn)題是界面問(wèn)題，怎么解決這個(gè)問(wèn)題？就是薄膜電池，但是能量密度太低了，怎么辦？變成三維的，你只是增加了它的界面，再一個(gè)辦法就是三維的多孔結(jié)構(gòu)。我們采用的辦法是用一種材料，電解質(zhì)是一樣的，電解質(zhì)在這里和在這里是一種材料，不同的就是中間放上碳。
另外一個(gè)辦法，負(fù)極要膨脹，電解質(zhì)不膨脹，電解質(zhì)是一個(gè)很大的問(wèn)題，怎么辦？硬和軟結(jié)合在一起，還是容易造成一種穩(wěn)定的界面的，但是導(dǎo)電性太差了，怎么辦？我們做成復(fù)合的電解質(zhì)。
用水來(lái)做，水是安全的，但是水的問(wèn)題是，能量密度不行，通常加點(diǎn)鹽可以提高一點(diǎn)，但是也很有限，基本上都是小于2伏的，怎么辦呢？加鹽，把水的活度降低。我們能不能再高一點(diǎn)，2伏不夠，看看有機(jī)電解質(zhì)，其實(shí)有機(jī)電解質(zhì)也不高，才3.2伏，如果當(dāng)電位低于它的穩(wěn)定值的時(shí)候，他就可以又拓寬大概1伏左右。我們要做的是，把鹽加高，讓它分解鹽。
我們今天想把這三個(gè)鏈接在一起，講一下固體電解質(zhì)和水溶液電解質(zhì)。今天我要討論兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是水溶液，一個(gè)是固態(tài)里頭，我們認(rèn)為用全固態(tài)的，用電解質(zhì)來(lái)做電極。
我先說(shuō)一下水溶液。水溶液的能量密度主要是取決于電壓和容量，容量是由電極決定的，電解質(zhì)主要是靠window。這個(gè)是它的電位，這是鋰的，水是1.23，這個(gè)已經(jīng)知道了，這基于活動(dòng)系數(shù)是1來(lái)說(shuō)的，加了鹽到了2伏。
現(xiàn)在我們想用這個(gè)，我們看一下水溶液可不可以？試一下。這個(gè)是2伏，下面是氫，上面是氧。如果在這個(gè)SEI里頭，你看成分，這些是鹽，很多這些都是電解質(zhì)，這里是水，你在這兒一分解就變成了氫氣，在上面一分解就變成了氧氣。我們把水分解的電壓往下降。我們加了很多的鹽就可以把它降下來(lái)，減了很多鹽，鹽的分解就可以讓電壓往上升了。
我們放了很多的鹽，它可以讓水的活度下降。
試一下鋰錳氧，我們做了一個(gè)2.3伏的，我們跟能源部說(shuō)我們第一次可以做到這么高的能量密度，他們說(shuō)再給你們一點(diǎn)錢，然后就給了我們60萬(wàn)，現(xiàn)在我們已經(jīng)做到了200瓦時(shí)，這個(gè)是電極的重量，不是整個(gè)電池的。如果按照50%來(lái)算的話，我們可以達(dá)到100。
兩年以前我們沒(méi)有設(shè)想到SEI，只設(shè)想到了活度的東西。在你鹽加很多的時(shí)候，我們來(lái)測(cè)一下它的結(jié)構(gòu)，這時(shí)候一個(gè)鹽里頭的周圍有四個(gè)水，外層還有四個(gè)水。這個(gè)是21膜以后一個(gè)鋰上其實(shí)就剩下了2.5個(gè)水，這2.5個(gè)水是固定住的。
當(dāng)你在21摩爾的時(shí)候，跟固體的鹽基已經(jīng)很像了，你可以看到氧的含量，它的溶解度是在下降的，導(dǎo)電性和現(xiàn)在的有機(jī)電解質(zhì)也是相當(dāng)?shù)摹?/p>
我們來(lái)測(cè)一下它變化的性能。先測(cè)一下溫度，我們用的是不銹鋼的，我們發(fā)現(xiàn)，他可以到1.9到4.9，我們仔細(xì)看一下，正常的話應(yīng)該是1.2，我們放大一下來(lái)看看這塊到底發(fā)生了什么？如果放大的話，你會(huì)看到摩爾上升的時(shí)候，如果你拉平的話這個(gè)是電流，很下，開始確實(shí)是有反應(yīng)的，到了一定程度之后才開始反應(yīng)，這塊是這樣的，這塊發(fā)生了什么？為什么在這塊會(huì)有反應(yīng)？我們就根據(jù)這個(gè)結(jié)構(gòu)，我們就算了一下，這塊到底發(fā)生了什么反應(yīng)？我們計(jì)算了以后發(fā)現(xiàn)當(dāng)我們加了21摩爾以后，鹽分解的電壓已經(jīng)從很低的電壓提到了2.8伏。這一塊的分解其實(shí)是由于鹽的分解。
我們?cè)倏纯捶纸庖院蟮那闆r，它分解出了氟化鋰，而且是多晶的。
我們用兩個(gè)正極、負(fù)極試一下，看看這個(gè)電池是不是好用的？這個(gè)是正常的1.2伏，如果你用硫化木（音）的話，它的電流是在這里的，我們用一下鋰錳氧，這是5摩爾、10摩爾、21摩爾，正極也是一樣的。這個(gè)是硫化木的充放電。
我們測(cè)了一下自放電，我們看一下這兩邊的能量密度是不是相當(dāng)?shù)?。這個(gè)是我們現(xiàn)在報(bào)導(dǎo)的電池，這個(gè)是我們開始發(fā)文章的時(shí)候容量，到我們發(fā)文章的時(shí)候已經(jīng)可以達(dá)到100瓦時(shí)每公斤了。
我們又進(jìn)一步擴(kuò)展了一下，做一些能量密度比較低的，但是效果很好的，我們用鋰鐵來(lái)做正極，再一個(gè)是用高電壓的正極，或者是低電壓的負(fù)極，所以我們用二氧化碳試了一下，希望可以提高它的能量密度。
我們開始是在能量密度80的范圍，后來(lái)到了100，最近可以達(dá)到了200。200已經(jīng)和現(xiàn)在的鋰錳氧、鋰鈦氧相當(dāng)了。我們也試了不同的正極和不同的負(fù)極，現(xiàn)在可以大家200了。
這個(gè)是目前的水溶液的正負(fù)極，這個(gè)是有機(jī)電解質(zhì)的，我們的工作正好在這中間，現(xiàn)在能源部是希望把這個(gè)能變到這個(gè)上面來(lái)（見PPT）。
這是我們發(fā)表的文章，這個(gè)是媒體報(bào)導(dǎo)的。我們?cè)诤凸竞献髯霎a(chǎn)業(yè)化，最近也是想用在汽車上。
看來(lái)我也不能再講后面這個(gè)了。
提問(wèn)：王老師，我問(wèn)一下。
王春生：我把我的主要觀點(diǎn)說(shuō)一下。我說(shuō)一下問(wèn)題在哪兒，這是薄膜的，這是一般電解質(zhì)的，我認(rèn)為這還是可以接受的。這個(gè)是在負(fù)極上的容量，這個(gè)是在正極上的容量，這個(gè)是非常不穩(wěn)定的。電解質(zhì)不穩(wěn)定，一個(gè)可以做正極，一個(gè)可以做負(fù)極。
你里頭的電解質(zhì)不可以用簡(jiǎn)單的辦法來(lái)處理，你必須要改，改的辦法要參碳?，F(xiàn)在很多人說(shuō)界面阻力大，其實(shí)電解質(zhì)是不穩(wěn)定的，它造成了界面的阻力大，我們還沒(méi)有談?wù)撆蛎?，我們沒(méi)有談?wù)龢O，下一步的任務(wù)是把正極放在里面。我現(xiàn)在要講的是，這個(gè)測(cè)試方法要改，第二所有的材料里頭，Lipon為什么好？就是因?yàn)樗锩鏇](méi)有金屬，Lipon這個(gè)是10的負(fù)6，這個(gè)是10的負(fù)3。LLTO、LLZO這個(gè)也是有問(wèn)題的，這個(gè)是要還原的，而且有電子導(dǎo)電，現(xiàn)在是怎么這個(gè)問(wèn)題。
這個(gè)我們做了電池的測(cè)試，我們可以把它做成納米的全固態(tài)電池。
這個(gè)是我很早以前發(fā)的，它就是電子導(dǎo)電的，和鋰反應(yīng)。我們用了很強(qiáng)大的辦法測(cè)試它的兩端。這是一個(gè)電池的薄片，這么放上去是沒(méi)有電解質(zhì)的，測(cè)導(dǎo)電性的時(shí)候又倒回來(lái)了。我還可以測(cè)出它的導(dǎo)電性和成分的關(guān)系。
相關(guān)閱讀：
驗(yàn)證碼：
