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石墨烯可使陶瓷电解质韧性提高一倍有助于将固

作者:凯博国际    更新时间:2020-08-06 04:02

  的陶瓷材料的韧性提高一倍。在《物质》杂志上描述的该策略可能有助于将固态电池推向大众市场。

  布朗工程学院的博士后研究员,这项研究的主要作者克里斯托斯·阿萨纳西欧说:“ 用陶瓷材料代替目前电池中的液体电解质具有极大的兴趣,因为它们更安全并且可以提供更高的能量密度。” “到目前为止,对固体电解质的研究都集中在优化其化学性能上。通过这项工作,我们将重点放在机械性能上,以期使它们更安全,更实用地广泛使用。”

  电解质是电池阴极和阳极之间的屏障,在充电或放电期间锂离子会流过该电解质。液体电解质工作得很好-在当今使用的大多数电池中都可以找到-但它们存在一些问题。在高电流下,电解质内部会形成细小的锂金属细丝,从而导致电池短路。而且由于液体电解质也很容易燃烧,所以这些短路会导致起火。

  固态陶瓷电解质不易燃,有证据表明它们可以阻止锂细丝的形成,从而使电池能够在更高的电流下工作。但是,陶瓷是高脆性材料,在制造过程和使用过程中会破裂。

  对于这项新研究,研究人员想了解的是,在陶瓷中加入石墨烯(一种超强的碳基纳米材料)是否可以提高材料的断裂韧性(材料在不破裂的情况下承受开裂的能力),同时又保持了所需的电子性能。电解质功能。

  Athanasiou与布朗工程学教授Brian Sheldon和NitiPadture合作,多年来,他们一直使用纳米材料来增韧用于航空航天业的陶瓷。对于这项工作,研究人员制造了小片的氧化石墨烯,将其与称为LATP的陶瓷粉末混合,然后加热该混合物以形成陶瓷-石墨烯复合材料。

  与单独的陶瓷相比,复合材料的机械测试表明其韧性提高了两倍以上。Athanasiou说:“正在发生的是,当材料中出现裂纹时,石墨烯薄片实际上会将断裂的表面保持在一起,因此裂纹运行需要更多的能量。”

  实验还表明,石墨烯不会干扰材料的电性能。关键是确保将适量的石墨烯添加到陶瓷中。石墨烯过少将无法达到增韧效果。太多会导致该材料变成导电的,这在电解质中是不希望的。

  Padture说:“您希望电解质传导离子,而不是电。” “石墨烯是一种良好的电导体,因此人们可能认为我们正在通过在电解质中放置导体来射击自己。但是,如果我们保持足够低的浓度,我们就可以阻止石墨烯导电,并且仍然可以结构上的利益。”

  两者合计,结果表明纳米复合材料可以提供一条途径,以制造更安全的具有机械性能的固体电解质,以用于日常应用。该小组计划继续努力改善材料,尝试使用石墨烯以外的纳米材料和不同类型的陶瓷电解质。

  谢尔顿说:“据我们所知,这是迄今为止任何人都制成的最坚硬的固体电解质。” “我认为我们已经表明,在电池应用中使用这些复合材料有很多希望。”

  日本首都大学东京(4月变更为东京都立大学)研发了一种为锂金属电池打造陶瓷柔性电解质薄片的新方法。研究人员将石榴石型陶瓷、聚合物粘合剂和一种离子液体混合在一起,打造出一种类固态片状电解质。由于研究人员在室温下进行合成,因而与现有在高温下(》 1000°C)进行的工艺相比,该新方法的耗能大大降低。此外,该电解质能够在很大的温度范围内工作,是一种前景非常好的电解质,可用于电动汽车等设备的电池中。

  化石燃料满足了全球大部分的能源需求,包括电力。不过,化石燃料正在被耗尽,而且燃烧化石燃料会导致二氧化碳和有毒氮氧化物等其他污染物直接排放到大气中。全球都需要向更清洁的可再生能源进行转型,不过,风能和太阳能的可再生能源往往是间歇性能源,因为风不会一直吹,而晚上也没有太阳。因此,需要研发先进的能源存储系统,更高效地利用此种间歇性可再生能源。自1991年,索尼公司实现锂离子电池的商业化以来,此类电池就对现代社会造成了深远的影响,为多种便携式电子产品和无绳吸尘器等家用电器提供动力。不过,电动汽车仍需要最先进的锂离子技术,而且电池的容量和安全性需要得到很大的改进。

  因此,很多科学家开始研究锂金属电池。因为从理论上看,锂金属阳极的容量比现有的商用石墨阳极的容量更高。不过,锂金属阳极仍存在技术障碍。例如,在液态电池中,可能会生长锂枝晶,导致电池短路,甚至引发火灾和爆炸。不过,固态无机电解质就明显更安全。而石榴石型(结构形状)陶瓷Li7La3Zr2O12,即LLZO,由于具备离子电导率高且能与锂金属兼容,被广泛认为是一种很有前景的固态电解质材料。不过,生产高密度的LLZO电解质需要高达1200 °C的烧结温度,既浪费能源又耗时,因而很难大规模生产LLZO电解质。此外,LLZO电解质很脆,其与电极材料之间的物理接触性能差,通常导致接触界面电阻高,极大了限制了其在全固态锂金属电池中的应用。

  因此,东京都立大学的一个研究小组在Kiyoshi Kanamura教授的领导下,开始研发一种能够在室温下制作的柔性复合LLZO片状电解质。研究人员在薄薄的聚合物基材上浇上LLZO陶瓷泥浆,就像在吐司上涂上黄油一样。然后,再放到真空炉中进行干燥,之后,该款75微米厚的片状电解质会被浸泡到离子液体(IL)中,以提升其离子电导率。离子液体就是室温下的液体盐,众所周知,其导电率高,而且几乎不易燃,也不挥发。在该片状电解质内部,离子液体成功填补了结构中的微小缺口,桥接了LLZO颗粒,为锂离子形成一个有效通道;此外,还有效降低了阴极接触界面的电阻。在进一步研究中,研究人员发现,结构中的锂离子既在离子液体,也在LLZO颗粒中扩散,因而离子液体和LLZO颗粒都突出发挥了作用。该合成法非常简单,适合工业化生产,而且整个过程都在室温下进行,无需高温烧结。

  尽管仍存在一些挑战,该研究小组表示,该柔性复合片状电解质所具备的机械鲁棒性和可操作性使其能够在更大的温度范围内工作,也使其成为了锂金属电池的理想电解质。新合成法非常简单也意味着可能会比预想的时间更早看到此种高容量的锂金属电池上市。

  中科院张锁江院士开发出用于固态锂金属电池的柔性陶瓷/聚合物混合固态电解质

  中国科学院过程工程研究所张锁江院士、Lan Zhang等人通过原位偶联反应,制备了柔性陶瓷/聚合物HSE。陶瓷和聚合物通过牢固的化学键紧密结合,从而解决了界面相容性问题,并且离子可以快速传输。所制备的膜在室温下的离子电导率为9.83×10 4S cm-1,并且Li+迁移数为0.68。这种原位偶联反应为解决界面相容性问题提供了一条有效方法。

  陶瓷/聚合物混合固态电解质(HSE)结合了两种电解质的优点,是一种很有前景的材料。典型的HSEs由聚合物组成,可增强电极/电解质的界面相容性,而无机填料则可调节离子的传输性。填料可以是金属氧化物(如Al2O3、SiO2、TiO2、和Fe2O3),也可以是快速Li+导体(如Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3(LATP)、LLZO和LGPS),这些材料不仅降低了聚合物基质的结晶度,而且为Li+提供额外的扩散途径,从而增强电解质的整体性能。机械混合是获得HSE的最常见方法,既方便又经济高效。然而,由这种方法制得的复合电解质通常展现出较差的均匀性,并且填料不能形成相互连接的Li+导电通道,在该通道上不能有效提高复合材料的离子电导率。机械混合带来的另一个问题是有机/无机电解质的界面相容性,因为离子倾向于沿着低阻抗路径流动,电导率的局部差异可能会导致界面处强空间电荷层并导致聚合物氧化。人们尝试了许多方法来优化这种界面相容性,例如减小陶瓷的粒径,使陶瓷填料有序,尺寸较大。但是,这种问题仍然存在,并且界面相容性不能忽略。建立化学键是解决界面问题的新策略。Nan的研究小组利用La在脱氟化氢中的催化作用,制备了聚偏二氟乙烯(PVDF)–Li6.75La3Zr1.75Ta0.25O12(LLZTO)HSE。离子电导率在25 °C时高达5×10-4S cm-1。但是,该策略仅适用于由邻碳原子中H和F组成的聚合物,例如PVDF或聚偏二氟乙烯-共六氟丙烯(PVDF-HFP),它们不能促进离子转移。Archer小组提出了一种更通用的方法,即制备一种软胶体玻璃HSE,将PEO链共价接枝到二氧化硅纳米颗粒上。HSE在工作电压高达4.3 V的高压镍钴锰氧化物(NCM)LMB中工作稳定。因此,化学键相互作用是解决中间相问题并促进无机填料均匀分散的有效方法,因此有助于形成具有高电导率和电化学稳定性的柔性HSE。

  本研究工作提出了一种新颖、可靠的方法来制造用于全固态锂电池的陶瓷/聚合物HSE膜,该方法也可以应用于其他陶瓷和聚合物系统。

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  2C01NMT是一款用于1节锂离子二次电池的保护IC,内置功率MOS FET。它还集成了高精度检测电路和检测延迟电路,以防止电池过充电,过放电,过电流放电和过电流充电。此外,主系统可以通过关闭LC05132C01NMT的充电FET和放电FET一段时间来执行自身的上电复位,并带有复位信号。电池保护系统只能由LC05132C01NMT和少量外部元件制成。 特性 优势 集成功率MOSFET 简易设计 低Rsson11mΩ 低功耗 PKG保险丝修整 为准备样本排序TAT 减少过流消除的分散 高度准确的检测 复位功能复位释放时间:1s(典型值)[Ta = 25°C] 更安全的嵌入式电池操作 应用 终端产品 1节锂离子二次电池保护 智能手机 平板电脑 可穿戴设备 电路图、引脚图和封装图...

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  92%电池充电器工作范围:4V 至 25V针对外部 N 沟道场效应晶体管 (NFET) 的电池充电器 1MHz 同步降压控制器软启动,限制浪涌电流外部开关限流保护可编程充电支持 JEITA/增强型充电模式 电量监测用于库伦计数器的 16 位高分辨率积分器16 位模数转换器 (ADC),通过 16 通道多路复用器...

  BQ34Z110 用于铅酸电池的采用 Impedance Track™ 技术的宽量程电量测量计

  信息描述 德州仪器 (TI) bq34z110 是一款独立于电池串联配置之外工作的电量计解决方案,此解决方案支持铅酸化学电池。 通过一个外部电压转换电路,可支持 4V 至 64V 的电池,可对此电路进行自动控制以减少系统功耗。bq34z110 器件提供几个接口选项,其中包括一个 I2C 从接口、一个 HDQ 从接口、一个或者四个直接 LED 接口、和一个警报输出引脚。 此外,bq34z110 提供对于外部端口扩展器(支持多于四个 LED)的支持。特性 支持铅酸化学电池 使用获得专利的 Impedance Track 技术,用于电压范围为 4V 至 64V 的电池老化补偿 自放电补偿支持的电池容量超过 65Ahr 支持高于 32A 的充放电电流 外部负温度系数 (NTC) 热敏电阻支持 支持两线C 和与主机系统进行通信的 HDQ 单线制通信接口 安全哈希算法 (SHA)-1,哈希消息认证码 (HMAC) 认证 一个或者四个直接显示控制 五个 LED 和通过端口扩展器的更多显示 精简的功率模式(典型电池组运行范围条件)正常运行:平均值

  信息描述 bq40z50 器件采用已获专利的 Impedance Track 技术,是一款基于电池组的单芯片全集成解决方案,针对 1 节、2 节、3 节和 4 节串联锂离子或锂聚合物电池组提供电量监测、保护及认证等一些列丰富的功能。bq40z50 器件利用其集成的高性能模拟外设,测量锂离子或锂聚合物电池的可用容量、电压、电流、温度和其他关键参数,保留准确的数据记录,并通过 SMBus v1.1 兼容接口将这些信息报告给系统主机控制器。 bq40z50 器件为主机系统提供最大的功率和电流,从而支持 Turbo 升压模式。 该器件还支持电池跳变点,从而在预设的充电阈值状态向主机系统发送 BTP 中断信号。 bq40z50 针对过压、欠压、过流、短路电流、过载和过热情况,以及其他电池组和电池相关故障提供基于软件的 1 级和 2 级安全保护。具有针对认证码密钥的安全内存的 SHA-1 认证能够识别真正的电池组。这个紧凑的 32 导线 QFN 封装在尽可能地提供电池电量测量应用的功能性和安全性的同时,最大限度地降低解决方案成本和智能电池的尺寸。特性全集成 1 节、2 节、3 节和 4 节串联锂离子或锂聚合物电池组管理器及保护 下一代已获专利的 Impedance Track 技术可准确测量锂离子和锂聚合物电池...

  BQ27545-G1 单节、电池组端 Impedance Track 电量监测计

  信息描述bq27545-G1 锂离子电池电量计是一款微控制器外设,此外设能够提供针对单节锂离子电池组的电量计量。此器件只需开发较少的系统微控制器固件即可实现精确的电池电量计量。bq27545-G1 安装于电池组内或者带有一个嵌入式电池(不可拆卸)的系统主板上。 bq27545-G1 使用已经获得专利的 Impedance Track™ 算法来进行电量计量,并提供诸如剩余电量 (mAh)、充电状态 (%)、续航时间(最小值)、电池电压 (mV) 和温度 (°C) 等信息。该器件还提供针对内部短路或电池端子断开事件的检测功能。bq27545-G1 还 具有 针对安全电池组认证(使用 SHA-1/HMAC 认证算法)的集成支持功能。 该器件还采用 15 焊球 Nano-Free™ DSBGA 封装 (2.61 mm × 1.96 mm),非常适合空间受限的 应用。特性适用于 1 节 (1sXp) 锂离子电池的电池电量计 应用 支持高达 14500mAh 的容量 微控制器外设提供:用于电池温度报告的内部或者外部温度传感器安全哈希算法 (SHA)-1 / 哈希消息认证码 (HMAC) 认证使用寿命的数据记录64 字节非易失性暂用闪存 基于已获专利的 Impedance Track™技术的电池电量计量用于电池续航能力精确预测的电池放电模拟曲线针对电池老化、电...

  信息描述The bqJUNIOR™ series are highly accurate stand-alone single-cell Li-Ion and Li-Pol battery capacity monitoring and reporting devices targeted at space-limited, portable applications. The IC monitors a voltage drop across a small current sense resistor connected in series with the battery to determine charge and discharge activity of the battery. Compensations for battery age, temperature, self-discharge, and discharge rate are applied to the capacity measurments to provide available time-to-emptyinformation across a wide range of operating conditions. Battery capacity is automatically recalibrated, or learned, in the course of a discharge cycle from full to empty. Internal registers include current, capacity, time-to-empty, state-of-charge, cell temperature and voltage, status, and more.The bqJUNIOR can operate directly from single-cell Li-Ion and Li-Pol batteries and communicates to the system over a HDQ one-wire or I2C serial interface.特...

  BQ27541-G1 具有集成 LDO 的电池组端 Impedance Track 电池电量监测

  信息 Texas仪器bq27541-G1锂离子电池电量计是一种微控制器外围设备,可为单节锂离子电池组提供电量计量。该器件几乎不需要系统微控制器固件开发来实现精确的电池电量计量bq27541-G1位于电池组内或系统主板上,带有嵌入式电池(不可拆卸)。 bq27541-G1使用获得专利的Impedance Track™算法进行电量计量,并提供剩余电池容量(mAh),充电状态(%)等信息,运行时间为空(最小),电池电压(mV)和温度(°C)。它还提供内部短路或制表断开事件的检测。 bq27541-G1还使用SHA-1 / HMAC认证算法集成了对安全电池组认证的支持 优势特点 用于1系列(1sXp)锂离子电池应用的电池电量计32Ahr容量 微控制器外设提供: 精确的电池电量计支持高达32Ahr 用于电池温度报告的内部或外部温度传感器 SHA-1 / HMAC认证 终身数据记录

  64字节的非易失性划痕垫FLASH 基于专利阻抗跟踪技术的电池电量计量 模型电池放电曲线,用于准确的时间到空预测 自动调整电池老化,电池自放电,&n温度/速率低效 低值检测电阻(5mΩ至20mΩ) 高级电量计功能 内部短暂检测 标签断开检测 ...

  BQ24278 具有电源路径的 2.5A 单输入单节开关模式锂离子电池充电器

  信息描述 bq24278 高度集成的单节锂离子电池充电器和系统电源路径管理器件针对空间有限且带有高容量电池的便携式应用。 单节充电器由一个诸如 AC(交流)适配器或者无线电源的专用充电源供电运行。此电源路径管理特性使得 bq24278 能够在为电池独立充电的同时从一个高效 DC 到 DC 转换器为系统供电。 此充电器一直监视电池电流并在系统负载所需电流超过输入电流限制时减少充电电流。 这样可实现正常的充电终止和定时器运行。 系统电压被调节至电池电压,但不会下降至低于 3.5V。 最小系统电压支持使得此系统能够与一个残次品或者有缺失的电池组一起运行并且即使在电池完全放电或者无电池的情况下也可实现瞬时系统启动。 当适配器不能传送峰值系统电流时,此电源路径管理架构还允许电池补充系统电流需要。 这样可使用较小的适配器。 电池充电经历以下三个阶段:充电,恒定电流和恒定电压。 在所有的充电阶段,一个内部控制环路监视 IC 结温并且在超过内部温度阀值的情况下减少充电电流。 此外,bq24278 提供一个基于电压的电池组热敏电阻器监控输入 (TS) 来监控电池温度以保证安全充电。特性 具有独立电源路径控制的高效开关模式充电器从深度放电电池或者在无电...

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