王春生：用于鋰離子電池的新型安全電解質(zhì)
圖為美國馬里蘭大學(xué)王春生博士
王春生：我先介紹一下馬里蘭大學(xué)，我們有一個項(xiàng)目，我們有9個單位參加。最近我們又成立了一個新的中心，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)系國家標(biāo)準(zhǔn)局讓他們也參加。我們是2014年成立的。我本來應(yīng)該是24號過來開會的，但是我們是成立了第四次大會，我們已經(jīng)從三個單位的層面上正式成立了。
我們有一個指導(dǎo)委員會，在馬里蘭大學(xué)出兩個人，還有一個是馬里蘭大學(xué)的能源中心主任。NIST有兩個人。這個是紐約鋰電池的咨詢公司。
這個中心里頭主要是三個單位，這些是國家實(shí)驗(yàn)室，包括海軍實(shí)驗(yàn)室，這是陸軍的另外一個實(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Consortium，就是吸引有能力的人來交會費(fèi)。
我主要講一下電解質(zhì)。這個是一般的鋰電池，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，它的問題是界面問題，怎么解決這個問題？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。
另外一個辦法，負(fù)極要膨脹，電解質(zhì)不膨脹，電解質(zhì)是一個很大的問題，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)。
用水來做，水是安全的，但是水的問題是，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)。今天我要討論兩個問題，一個是水溶液，一個是固態(tài)里頭，我們認(rèn)為用全固態(tài)的，用電解質(zhì)來做電極。
我先說一下水溶液。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。這個是它的電位，這是鋰的，水是1.23，這個已經(jīng)知道了，這基于活動系數(shù)是1來說的，加了鹽到了2伏。
現(xiàn)在我們想用這個，我們看一下水溶液可不可以？試一下。這個是2伏，下面是氫，上面是氧。如果在這個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，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2.3伏的，我們跟能源部說我們第一次可以做到這么高的能量密度，他們說再給你們一點(diǎn)錢，然后就給了我們60萬，現(xiàn)在我們已經(jīng)做到了200瓦時，這個是電極的重量，不是整個電池的。如果按照50%來算的話，我們可以達(dá)到100。
兩年以前我們沒有設(shè)想到SEI，只設(shè)想到了活度的東西。在你鹽加很多的時候，我們來測一下它的結(jié)構(gòu)，這時候一個鹽里頭的周圍有四個水，外層還有四個水。這個是21膜以后一個鋰上其實(shí)就剩下了2.5個水，這2.5個水是固定住的。
當(dāng)你在21摩爾的時候，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>
我們來測一下它變化的性能。先測一下溫度，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，我們放大一下來看看這塊到底發(fā)生了什么？如果放大的話，你會看到摩爾上升的時候，如果你拉平的話這個是電流，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？為什么在這塊會有反應(yīng)？我們就根據(jù)這個結(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。
我們再看看分解以后的情況，它分解出了氟化鋰，而且是多晶的。
我們用兩個正極、負(fù)極試一下，看看這個電池是不是好用的？這個是正常的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。這個是硫化木的充放電。
我們測了一下自放電，我們看一下這兩邊的能量密度是不是相當(dāng)?shù)摹＿@個是我們現(xiàn)在報導(dǎo)的電池，這個是我們開始發(fā)文章的時候容量，到我們發(fā)文章的時候已經(jīng)可以達(dá)到100瓦時每公斤了。
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，我們用鋰鐵來做正極，再一個是用高電壓的正極，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。
這個是目前的水溶液的正負(fù)極，這個是有機(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能變到這個上面來（見PPT）。
這是我們發(fā)表的文章，這個是媒體報導(dǎo)的。我們在和公司合作做產(chǎn)業(yè)化，最近也是想用在汽車上。
看來我也不能再講后面這個了。
提問：王老師，我問一下。
王春生：我把我的主要觀點(diǎn)說一下。我說一下問題在哪兒，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。這個是在負(fù)極上的容量，這個是在正極上的容量，這個是非常不穩(wěn)定的。電解質(zhì)不穩(wěn)定，一個可以做正極，一個可以做負(fù)極。
你里頭的電解質(zhì)不可以用簡單的辦法來處理，你必須要改，改的辦法要參碳。現(xiàn)在很多人說界面阻力大，其實(shí)電解質(zhì)是不穩(wěn)定的，它造成了界面的阻力大，我們還沒有談?wù)撆蛎洠覀儧]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，這個測試方法要改，第二所有的材料里頭，Lipon為什么好？就是因?yàn)樗锩鏇]有金屬，Lipon這個是10的負(fù)6，這個是10的負(fù)3。LLTO、LLZO這個也是有問題的，這個是要還原的，而且有電子導(dǎo)電，現(xiàn)在是怎么這個問題。
這個我們做了電池的測試，我們可以把它做成納米的全固態(tài)電池。
這個是我很早以前發(fā)的，它就是電子導(dǎo)電的，和鋰反應(yīng)。我們用了很強(qiáng)大的辦法測試它的兩端。這是一個電池的薄片，這么放上去是沒有電解質(zhì)的，測導(dǎo)電性的時候又倒回來了。我還可以測出它的導(dǎo)電性和成分的關(guān)系。
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