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美研究人員開發(fā)新型電池 充電只需數(shù)秒

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:664次  |  2021年12月08日  

伊利諾伊大學(xué)厄本那―香檳分校的研究人員新近開發(fā)出一款電池,可在幾秒鐘的時(shí)間內(nèi)完成充電或放電,在現(xiàn)有手機(jī)和筆記本電腦上使用也能夠正常工作。


據(jù)環(huán)境新聞服務(wù)網(wǎng)(ENS)報(bào)道,該校材料科學(xué)和工程系教授保羅?布勞恩(paulBraun)帶領(lǐng)的研究小組將電池負(fù)極設(shè)計(jì)成3D納米結(jié)構(gòu),既可保證超快速充電和放電,同時(shí)又能兼顧電池的儲(chǔ)能容量。


“我們的這個(gè)系統(tǒng)可以供應(yīng)電池式的電力和電容般的功效。”布勞恩說。


“大多數(shù)電容器只能儲(chǔ)存很少的能量。它們可以快速放電,但儲(chǔ)能容量卻很小。”布勞恩解釋說,“大多數(shù)電池儲(chǔ)存的能量相當(dāng)大,但卻不能快速地供應(yīng)或接收能量。這(款電池)做到了二者兼顧。”


典型的鋰離子充電電池或鎳氫充電電池在快速充放電時(shí)性能會(huì)隨之降低。

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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%

布勞恩的研究小組發(fā)現(xiàn),利用薄膜充當(dāng)電池中的活性物質(zhì)可以讓電池快速充電和放電,但與此同時(shí),電池的儲(chǔ)能容量卻幾乎降為零,因?yàn)檫@種活性物質(zhì)無法儲(chǔ)能。不過,假如將薄膜制成三維結(jié)構(gòu),則既可提高儲(chǔ)能容量,又能供應(yīng)強(qiáng)大的電流。


這樣的性能有助于研制在幾秒鐘內(nèi)充電的手機(jī),幾分鐘內(nèi)充電的筆記本電腦,以及高功率激光器和心臟除顫器。能夠大量儲(chǔ)能、同時(shí)快速放電和充電的電池也是應(yīng)用領(lǐng)域夢寐以求的。


布勞恩認(rèn)為,這款新電池生來就是為電動(dòng)汽車開發(fā)的,因?yàn)槟壳半妱?dòng)汽車發(fā)展面對的局限就是電池的使用壽命短和充電時(shí)間長。


該新型3D電池結(jié)構(gòu)的技術(shù)關(guān)鍵在于將可自我組裝的納米小球與薄膜相結(jié)合。


研究人員首先將納米小球覆蓋在一個(gè)基底的表面,并讓小球緊密組合在一起,形成一個(gè)格子框架。利用其他方法來建立這種統(tǒng)一的格子框架不僅耗時(shí),也不現(xiàn)實(shí),但這些廉價(jià)的小球可以自動(dòng)排列到位。

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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:勘探測繪、無人設(shè)備

然后,研究人員用金屬填充小球周圍的空間。當(dāng)小球被熔化或溶解后,留下一個(gè)多孔的3D金屬支架。利用電拋光工藝蝕刻掉支架的表面,就得到一個(gè)無邊框的框架結(jié)構(gòu)。活性物質(zhì)薄膜最后覆蓋于框架之上。


布勞恩解釋說,其結(jié)果是,這種雙持續(xù)電極結(jié)構(gòu)擁有可以互相連接的微小通道,所以鋰離子可以快速移動(dòng);活性物質(zhì)薄膜在擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)方面表現(xiàn)優(yōu)異;而金屬框架具有良好的導(dǎo)電性能。


研究小組同時(shí)展示了他們研制的鋰離子電池和鎳金電池。由于3D納米結(jié)構(gòu)是通用的,因此任何可以覆蓋在金屬框架上的電池材料都能用于制造電池。此外,所有工藝流程在工業(yè)上都已經(jīng)被大規(guī)模使用,因此布勞恩認(rèn)為,該技術(shù)可以投入大規(guī)模生產(chǎn)。


“我們很高興它是普遍適用的,所以假如有人提出更好的電池材料,這個(gè)想法也能適用。”布勞恩說,“這無有關(guān)某一種具體的電池,而是一種新的思維模式:設(shè)計(jì)三維結(jié)構(gòu)的電池以提高其性能。”


該研究得到了美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室和美國能源部的支持,論文發(fā)表在《自然納米技術(shù)》網(wǎng)絡(luò)版上。


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