全固态电池由阴极复合层、硫化物固体电解质层和无碳微硅阳极(左)组成。化学反应(中间)引起微硅颗粒的膨胀和致密化,形成致密的锂硅合金电极(右)。图片由加州大学圣地亚哥分校提供
加州大学圣地亚哥分校的一个工程师团队创造了一种新型电池,将两个有前途的子领域编织成一个产品。他们使用固态电解质和全硅阳极来生产硅全固态电池。最初的几轮测试表明,新电池安全,持久且能量密集。
"通过这种电池配置,我们为使用硅等合金阳极的固态电池开辟了一个新的领域,"可持续材料和能源实验室领导该项目的Darren Tan博士说。Tan与LG Energy合作开展了该项目,最近共同创立了一家名为UNIGRID Battery的初创公司,该公司已获得该技术的许可。
"硅阳极以其能量密度而闻名,其能量密度是当今商用锂离子电池中最常用的石墨阳极的10倍,"Tan解释说。"另一方面,硅阳极因其在电池充电和放电时如何膨胀和收缩以及它们如何与液体电解质降解而臭名昭着。这些挑战使全硅阳极远离商用锂离子电池,尽管其能量密度诱人。
"具有高能量密度的下一代固态电池一直依赖金属锂作为阳极,"Tan指出。"但是,这限制了电池充电速率,并且在充电过程中需要升高温度(通常为60°C或更高)。硅阳极克服了这些限制,允许在室温到低温下更快的充电速率,同时保持高能量密度。
Tan和他的同事们展示了一种实验室规模的全电池,可在室温下提供500次充电和放电循环,容量保留率为80%。
几十年来,电池制造商一直将硅视为一种能量密集的材料,以混合或完全取代锂离子电池中的传统石墨阳极。从理论上讲,硅提供的存储容量大约是石墨的10倍。
然而,在实践中,将硅添加到阳极的锂离子电池通常会遭受实际性能问题。特别是,电池在保持性能的同时可以充电和放电的次数不够高。
"大部分问题是由硅阳极与它们配对的液体电解质之间的相互作用引起的,"Tan说。"由于硅颗粒在充电和放电过程中的大体积膨胀,情况变得复杂。随着时间的推移,这会导致严重的容量损失。
Tan和他的同事们消除了通常与全硅阳极一起使用的碳和粘合剂。此外,他们使用微硅,这比纳米硅便宜。除了从阳极中去除所有碳和粘合剂外,工程师还移除了液体电解质。相反,他们使用了硫化物基固体电解质。
"固态硅方法克服了传统电池的许多局限性,"Tan说。"它为我们提供了令人兴奋的机会,以满足市场对更高容量能源,降低成本和更安全电池的需求。
新技术为自动驾驶汽车提供"X射线视觉"
澳大利亚工程师开发了一种系统,使自动驾驶汽车能够跟踪隐藏在建筑物后面的移动行人和被汽车,卡车或公共汽车遮挡的骑自行车的人。该技术使车辆能够打破车载感知传感器的物理和实际限制,并通过使用穿透行人盲点的X射线式视觉来提高感知质量和鲁棒性。
一种新系统使自动驾驶汽车能够跟踪隐藏在建筑物后面的移动行人和被汽车卡车或公共汽车遮挡的骑行车的人。图片由Cohda Wireless提供
"这是人类驾驶和自动驾驶汽车的游戏规则改变者,我们希望这将大大提高道路运输的效率和安全性,"悉尼大学航空航天,机械和机电一体化工程学院名誉教授Eduardo Nebot博士说。他与澳大利亚现场机器人中心,Cohda Wireless和iMOVE合作研究中心进行了研究。
"使用集体感知,联网车辆能够跟踪被建筑物视觉阻挡的行人,"Nebot解释说。"这是在其本地感知传感器或驾驶员可能看到拐角处的同一行人之前几秒钟实现的,为驾驶员或导航堆栈提供了额外的时间来对这种安全隐患做出反应。
使用路边智能交通系统(ITS)站,车辆可以使用车辆对X(V2X)通信与他人共享他们"看到"的内容。该系统通过允许车辆利用各种观点来显着增加车辆的感知范围。
根据Nebot的说法,该技术可以使所有车辆受益,而不仅仅是那些连接到这种系统的车辆。这些应用程序正在由Cohda商业化,涉及一种称为合作或集体感知(CP)的新兴ITS技术。
Nebot及其同事进行的另一项实验展示了集体感知如何允许车辆安全地与行走的行人进行交互,车辆的反应基于路边ITS站提供的感知信息。这个为期三年的项目还展示了联网车辆在与冲向指定交叉区域的行人互动时的预期行为。
"使用ITS系统,联网的自动驾驶汽车设法采取先发制人的行动:根据行人的预测运动,在行人过马路区域之前制动和停车,"Nebot说。
"行人跟踪、预测、路径规划和决策都是基于从ITS路边站收到的感知信息,"Nebot解释说。"集体感知使智能车辆能够打破车载感知传感器的物理和实际限制。
"[我们的]研究证实,使用CP可以提高对弱势道路使用者的认识和许多交通场景中的安全性,"Nebot补充道。
高速率镁可充电电池离现实更近了一步
镁可充电电池(MRBs)使用高容量镁作为负极材料,由于其能量密度,安全性和成本,是下一代电池的有希望的候选者。然而,缺乏高性能正极材料阻碍了它们的发展。
金属硫化物电化学氧化制得的液流、硫化物复合材料可作为镁可充电电池的高性能正极材料。图片由Tohoku University提供
为了解决这个问题,东北大学的工程师开发了液硫硫复合阴极,可实现高速率镁电池。这些材料可以通过在150°C的离子液体电解质中电化学氧化金属硫化物(例如硫化铁)自发制备。该复合材料在容量、电位、循环性和速率能力方面表现出高性能。
"像它们的锂离子对应物一样,过渡金属氧化物是MRB中的主要正极材料,"东北大学材料和能源助理教授Kohei Shimokawa说。"然而,镁离子在氧化物内的缓慢扩散带来了严重的问题。为了克服这一点,一些研究人员探索了硫基材料。但是,用于MRB的硫基阴极具有严重的局限性,例如低电导率。
"我们的材料允许在50多个循环中实现稳定的阴极性能,"Shimokawa说。"如此高的循环性可归因于液态活性物质的高结构可逆性和多硫化物对离子液体电解质的低溶解度。
尽管取得了进展,但下川说,仍然存在几个问题。"我们需要与阴极和阳极材料兼容的电解质,因为这项工作中使用的离子液体钝化镁金属阳极,"他指出。"在未来,[我们希望]开发新的电化学稳定的电解质,使MRB更实用,以便在下一代电池中广泛使用。