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納米材料打造永久免更換的儲能鋰電池

鉅大LARGE  |  點擊量:678次  |  2019年01月18日  

美國加州大學爾灣分校(UniversityofCalifornia,Irvine;UCI)的研究人員在進行研究中意外發現,基于納米線的電池材料能夠重復充電數十萬次,可望實現幾乎無需更換的電池。


研究人員在進行基于納米線的電荷儲存機制研究時發現,其中所涉及的“線”(wire)是沈積的結構(僅以細長納米線形式呈現)。根據研究人員表示,這是一種純金的納米線,表面能以二氧化錳(MnO2)涂覆或鑲嵌護套。該組件基本上是一種電容器,可在交錯的納米線數組之間形成電荷儲存電容,并懸浮于電解介質中。


以相同的材料來看,使用納米線可提供較薄膜更高的電荷儲存。因為納米線比人類的發絲更細數千倍、而且具有高導電性,并具有較大表面積可供電子儲存與傳輸。純金納米線約240nm寬與35nm厚;外殼厚度約在143-300nm之間。根據先前的研究工作發現,這些細絲極其脆弱,不易妥善保持用于重復放電、充電或充放電循環。因此,一般的鋰離子電池容易膨脹、變得脆弱,最后導致破裂。


UCI研究人員在二氧化錳外殼涂覆純金納米線,并將該組裝包裹在以樹脂玻璃(Plexiglas)狀凝膠制造的電解質中,從而解決了這個問題。這種凝膠是聚酸甲酯(PMMA)與過氯酸鋰(LiClO4:形成鋰離子電池的鋰離子來源)的組合,十分可靠且不易故障。


主導這項研究的——UCI博士候選人MyaLeThai在三個月內循環測試電極達20萬次,未檢測到任何電量或電力損耗,也無損于任何納米線。這項研究結果已經發表在美國化學學會(AmericanChemicalSociety)出版的最新一期《能源快報》(EnergyLetters)中。

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-40℃最大放電倍率:1C
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UC-Irvine博士候選人MyaLeThai手握可讓鋰離子電池反復充電幾十萬次的納米線材料(來源:UCIrvine)


UCI化學系主任ReginaldPenner表示,“Mya一開始只是抱著好玩的心態,將極薄的凝膠完整涂覆在表面上,并開始進行充放電。她發現只需在納米線材料上涂覆這種凝膠,就能重復充放電數十萬次,而不至于損耗任何容量。”


他并補充說,“這真的很厲害。因為電池通常最多經過5,000、6,000或7,000次充放電周期后就會整個壞掉而無法使用。”UCI研究人員所使用的結構特別采用高長寬比的納米線,以便揭露或放大任何可能發生的故障效應:然而,卻始終未曾出現。


研究人員認為,這種凝膠將會塑化電池中的金屬氧化物,并賦予靈活性,以防止破裂。

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“該涂層電極能更有效保持原有形狀,使其成為一個更可靠的選擇,”Thai說,“這項研究證實納米線電池電極具有更長的使用壽命,讓我們得以真正實現這種長效電池。”


這項研究并與馬里蘭大學(UniversityofMaryland)先進能源研究中心(EnergyFrontierResearchCenter)電能儲存納米結構(NEES)計劃合作,同時獲得了美國能源部(DoE)基礎能源科學部的資金贊助。

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