推进超越锂电池技术的中心产生了 30 多项许可专利

推进超越锂电池技术的中心产生了 30 多项许可专利

锂离子电池可能是当今的首选技术,但下一代储能设备——它有可能更安全、使用寿命更长——可能比你想象的更早出现。

推进超越锂电池技术的中心产生了 30 多项许可专利

JCESR 科学家在阿贡国家实验室的电化学发现实验室合作进行下一代电池研究。

需要电池创新来实现可再生电网和重型运输脱碳,如长途卡车运输、海运和航空。领导创新的机构之一是能源储存研究联合中心 ( JCESR ),它是美国能源部 ( DOE ) 的创新中心,由DOE的阿贡国家实验室领导。

自 2013 年以来, JCESR研究人员在“超越锂离子”领域发明了广泛而多样的技术。主要关注点是流动电池、锂硫电池、多价电池和固态电池,并已获得 30 多项专利,现在可供许可使用。

“我们开发的知识产权组合说明了我们对如何从原子层面构建相互作用并创造稳定、功能齐全的电池材料的分子的基本理解,”阿贡材料工程师和JCESR研究员布赖恩英格拉姆说。

为什么需要超越锂技术

所有电池都包括三个关键部分:阳极,电池的负极;阴极,电池的正极;和电解质,一种允许电流或电荷在阳极和阴极之间流动的化学材料。

在锂离子电池的情况下,当电池打开时,会发生化学反应,从而释放出称为电子的带负电粒子和称为锂离子的带正电的锂粒子。锂离子穿过电解质从阳极到达阴极。同时,来自阳极的电子通过单独的电路到达阴极,它们的运动会产生为设备供电的电流。当这些电池充电时,离子和电子被推回阳极,准备重新开始循环。

虽然非常有用,但锂离子电池也有一些缺点。它们需要额外的物理保护来维持安全操作,生产成本高,并且它们的使用寿命有限。下一代电池的研究重点是创造能够克服这些限制并扩大电池用途的新设计和材料。

氧化还原液流电池

特别是在电网领域,氧化还原液流电池被认为是一种超越锂离子技术的有价值的技术。与能够在短时间内提供大量能量的锂离子电池相比,液流电池更适合在较长时间内提供较少量的能量。

JCESR的研究揭示了使液流电池比现在更加能量密集和高效的方法。在他们的知识产权中,专利解决了现有液流电池和非水性液流电池(一种新兴技术)的一些限制。

多价离子电池技术

多价金属电池是JCESR正在探索的另一项新兴技术。相对于锂只能进行一次充电,多价金属可以实现更高的电荷密度。

由镁和钙等多价金属制成的阳极有可能与锂的能量密度相匹配甚至超过锂,而且通常更丰富,这可以使它们更便宜、更可持续。但是为了推进他们的发展,研究人员仍然需要克服一系列科学挑战。尤其是JCESR的知识产权解决了与制造可在多价电池中工作的稳定电解质相关的挑战,这是保持长期性能所必需的。

“这个空间内已经存在的电解质只有在非常狭窄的条件范围内才能稳定。通过JCESR ,我们为扩大稳定性范围做了很多工作,”英格拉姆说。

锂硫电池

在交通领域,锂离子技术之外的另一种锂硫(Li-S)电池显示出巨大的潜力。由于它们的化学性质以及硫比其他常用的正极材料(如钴、镍和锰)更便宜且更丰富的事实,Li-S 电池可以以低于传统锂离子技术的成本存储更多能量。然而,今天,当锂硫电池放电时,可能会发生意外反应,导致称为多硫化物的材料在电池中积聚,从而缩短其循环寿命。

JCESR 的科学家已经开发出材料和工艺来应对限制锂硫技术发展的这一挑战和其他挑战。他们的知识产权包括粘合材料专利,以防止多硫化物材料扩散到整个电池中,以及制造由硫制成的阴极。

“硫在阴极内的分布方式非常重要。你希望硫颗粒不是大块,而是小块,这样你就可以有更多的界面可以发生反应,”阿贡化学家和JCESR研究员 Lei Cheng 说。 â� <“在我们的专利中,我们提出了一种制造硫的方法,该方法使材料中的界面或活性位点数量最大化。”

固态和锂金属电池

在推动延长电动汽车寿命的同时,世界各地的科学家也在研究固态电池。这些电池使用不易燃的固体电解质代替传统电池中的易燃液体电解质。

通过更换液体电解质,固态电池更稳定,因此可能更安全。与当今车辆中的锂离子电池相比,特别是一种类型的固态锂金属电池已被发现具有高能量密度和提供更大范围和更快充电的潜力。

尽管它们具有潜力,但这些电池往往会形成长而分枝的锂针,称为枝晶,这会限制电池的使用寿命和安全性。在他们的知识产权中, JCESR研究人员为其阳极提供了一种专利涂层,可以抑制枝晶的形成。此外,他们还开发了新颖的工艺和电池设计,以提高效率并延长其生命周期。总的来说,这项工作和他们在“超越锂离子”领域的其他工作说明了在未来几十年改善能源储存的激动人心的机会。

要了解有关 JCESR 资助的发明的更多信息,请通过jcesrlicensing@anl.​gov联系我们。

美国能源部能源创新中心联合储能研究中心 ( JCESR )是一个重要的合作伙伴关系,它整合了来自多个学科的研究人员,以克服关键的科学和技术障碍并创造新的突破性储能技术。由美国能源部的阿贡国家实验室领导,合作伙伴包括来自学术界、私营部门和国家实验室的科学和工程领域的国家领导人。他们的综合专业知识涵盖了从基础研究到原型开发到产品工程再到市场交付的整个技术开发流程。

阿贡国家实验室寻求解决紧迫的国家科学技术问题。作为美国第一个国家实验室,Argonne 在几乎所有科学学科中开展前沿的基础和应用科学研究。阿贡的研究人员与来自数百家公司、大学以及联邦、州和市政机构的研究人员密切合作,帮助他们解决具体问题,提升美国的科学领导地位,并让国家为更美好的未来做好准备。 Argonne 拥有来自 60 多个国家的员工,由美国能源部科学办公室的 UChicago Argonne, LLC管理。

文章由阿贡国家实验室提供。通过琼科卡

来源: CleanTechnica </a

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