正略咨询:【年度观察】科研界-全球材料技术研究(2)
科研关注度:133
潜在市场规模:1500亿元人民币
预计到2025年,全球可充电二次电池的市场总规模将达到5000亿美元以上,其中可充电镁电池的市场占比将达到30%以上。
能源系统的升级需要具有更高能量密度和安全性的电化学存储系统。可充电二价金属电池,包括可充电镁和钙金属电池(RMB和RCB),是锂离子电池有前景的替代品。首先,镁和钙的地壳储量是锂的1000倍以上,其次双电子转移会实现更大的负极容量。然而,它们受到动力学缓慢和副反应较多的困扰,如镁二价离子和电解液与正极材料相互作用较强,导致镁离子的解离和扩散极为缓慢,因此很少有正极材料可以高效地储存镁离子。当前为数不多的可储镁的正极材料也只有在高温和低电流密度下才能趋近理论容量。虽然研究人员为了解决电解质与正极、负极和集流器之间的不相容性,探索了由非腐蚀电子离域阴离子组成的电解质,如Mg(TFSI)2、硼团簇、烷氧基硼酸盐和烷氧基铝酸盐以及镁阳极上的人工SEI膜。但是,镁和钙负极在正极侧仍观察到较大的迟滞现象,因此可充电镁、钙金属电池仍存在库仑效率不足的问题。
图源:Science美国马里兰大学王春生教授和美国陆军研究实验室Oleg Borodin发现了一系列甲氧基乙胺螯合剂,通过溶剂化鞘重组极大地促进了界面电荷转移动力学,并抑制了正极和金属副极上的副反应,从而实现了能量密度为分别为412Wh/kg和471Wh/kg。这种方法同时解决了二价金属电池的两个关键挑战:负极的低可逆性和金属氧化物正极的缓慢动力学,从而使镁、钙金属电池的能量密度与锂电池相当。该设计原理可广泛应用于其他二价金属电池,同时这种电解质的重组可以通过改变螯合剂的介电常数和尺寸来进行调节,以进一步增强反应动力学和可逆性,从而匹配商业锂离子电池的应用标准。
九、无碳纯硅全固态电池
资料来源:Carbon-free high loading silicon anodes enabled by sulfide solid electrolytes
研发国家:美国
发表期刊:Science
科研关注度:237
潜在市场规模:900亿元人民币
根据中国电子信息产业发展研究院的数据,2019年中国锂电池产业规模为2058亿元,预计2025年达3000亿元。假设2025年全固态电池市场占有率为30%,全固态电池潜在市场规模约为900亿元。
硅负极具有极高的理论比容量、较低的充放电电压平台以及非常丰富的自然储量等优势,被认为是下一代高能量密度锂离子电池最具发展潜力的负极材料之一。然而,在实际应用中,硅负极面临着一个迄今尚未解决的技术瓶颈,即较差的循环稳定性。特别是硅基全电池,其循环性能往往不超过100圈。针对硅负极存在的问题和挑战,科学家们开发了许多先进的改性策略来缓解容量衰减,如纳米结构设计、探索新型聚合物粘结剂、电解液改性、不同的预锂化策略和硅/石墨复合等等。尽管这些策略均在一定程度上提高了硅负极的循环性能,但是没有一种策略能够同时解决上述所有问题,硅负极的商业化应用之路仍然任重道远。
2021年9月,美国加州大学圣地亚哥分校Ying Shirley Meng(孟颖)教授和陈政博士通过使用硫化物固态电解质的界面钝化特性实现了质量分数为99.9的无碳纯硅负极稳定循环,组装了一种高性能的纯硅阳极全固态电池(ASSB)。所制备的全电池不仅能够在高面电流密度(5mAcm-2)和宽温度范围内(-20 ℃到80℃)稳定运行,还可以提供高达11 mAhcm-2 (2890mAhg-1) 的面积容量。研究表明,该电池可以在5mAcm-2的电流密度下稳定循环500次,容量保持率高达80%,且平均库伦效率高于99.9%,是迄今为止报道的微硅全电池的最佳性能。如此优异的性能主要归因于微硅阳极和硫化物电解质之间理想的界面特性以及锂硅合金独特的化学机械行为,从而彻底解决了硅负极存在的连续的界面生长和不可逆的锂损失等问题。
图源:Science无碳纯硅全固态电池能够实现高电流密度、宽工作温度范围与高面积容量,并实现长循环寿命和日历寿命,满足电池安全、持久且能量密度高的要求,有望未来从电网存储到电动汽车的广泛应用。
十、在强酸中电解CO
文章来源:《材料研究学报》 网址: http://www.clyjxbzz.cn/zonghexinwen/2022/0307/2247.html