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新納米結(jié)構(gòu)電池陽(yáng)極問世電池能量密度和安全性大增

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:536次  |  2021年05月13日  

來自俄勒岡州立大學(xué)(OSU)工程學(xué)院、中佛羅里達(dá)大學(xué)和休斯頓大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種基于新型納米結(jié)構(gòu)合金的電池陽(yáng)極,這可能會(huì)徹底改變儲(chǔ)能設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造方式。


該研究結(jié)果已發(fā)表在《自然通訊》上。


OSU的研究員表示,“世界的能源需求正在新增,但是開發(fā)具有高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命的下一代電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)仍然具有技術(shù)挑戰(zhàn)性。”


“使用水基導(dǎo)電溶液作為電解質(zhì)的水基電池是一種新興的、更安全的鋰離子電池替代品。但水系統(tǒng)的能量密度相對(duì)較低,而且水會(huì)與鋰發(fā)生反應(yīng),這進(jìn)一步阻礙了水電池的廣泛應(yīng)用。”


電池以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存能量,并通過化學(xué)反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為為車輛、手機(jī)、筆記本電腦和許多其他設(shè)備和機(jī)器所需的電能。

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充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

一般來說,鋰離子電池的結(jié)構(gòu)重要包括包括由不同材料制成的陽(yáng)極和陰極,隔板和電解質(zhì)。電解質(zhì)是一種允許電荷流動(dòng)的化學(xué)介質(zhì)。


在鋰離子電池中,電荷是通過鋰離子攜帶的,因?yàn)樗鼈冊(cè)诜烹娺^程中通過電解質(zhì)從陽(yáng)極移動(dòng)到陰極,在充電過程中又返回。


鋰離子電池中的電解質(zhì)通常溶解在有機(jī)溶劑中,這些溶劑易燃,在高工作電壓下會(huì)分解。因此,這顯然存在安全問題,電極-電解質(zhì)界面上鋰枝晶的生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致電極之間短路。


鋰枝晶類似于生長(zhǎng)在鋰離子電池內(nèi)部的小樹,存在安全隱患。


近年來涉及鋰離子電池的燃燒事件包括2013年一架波音787飛機(jī)起火,2016年GalaxyNote7智能手機(jī)爆炸,以及2019年特斯拉ModelS起火。

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標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測(cè)繪、無人設(shè)備

研究人員表示,水電池是一種有前途的安全和可擴(kuò)展的儲(chǔ)能替代方法。水性電解質(zhì)具有成本競(jìng)爭(zhēng)力,對(duì)環(huán)境無害,能夠快速充電和高功率密度,并且高度耐受誤操作。


然而,其大規(guī)模使用受到輸出電壓有限和能量密度低的阻礙(能量密度較高的電池可以儲(chǔ)存大量能量,而功率密度較高的電池可以更快地釋放大量能量)。


此次的最新研究中,研究人員設(shè)計(jì)了一種由三維“鋅-錳合金”組成的陽(yáng)極作為電池陽(yáng)極——其中錳包括錳和其他金屬。


使用這種具有特殊納米結(jié)構(gòu)的合金,不僅通過控制表面反應(yīng)熱力學(xué)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來抑制枝晶的形成,而且在惡劣的電化學(xué)條件下,在數(shù)千次循環(huán)中表現(xiàn)出超高的穩(wěn)定性。


使用鋅可以轉(zhuǎn)移兩倍于鋰的電荷,從而提高電池的能量密度。


研究人員表示,實(shí)驗(yàn)中“還用海水代替高純度去離子水作為電解液測(cè)試了水電池,”并補(bǔ)充道其“工作顯示了大規(guī)模生產(chǎn)這些電池的商業(yè)潛力。”


研究人員表示,“理論和實(shí)驗(yàn)研究證明,三維合金陽(yáng)極具有前所未有的界面穩(wěn)定性,在這項(xiàng)研究中展示的概念可能會(huì)給水電池和非水電池的高性能合金陽(yáng)極設(shè)計(jì)帶來轉(zhuǎn)變,從而徹底改變電池行業(yè)。”


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