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可延長鋰離子電池使用壽命的“豆莢”復(fù)合材料

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:940次  |  2019年02月27日  

鋰離子電池是目前日常生活中使用最為廣泛的一種電池,但多種原因?qū)е缕浯嬖谑褂脡勖踢@一缺點(diǎn),其中電極退化問題最讓科學(xué)家們苦惱。這是因為在不斷的放電和充電過程中,電池中的鋰離子會反復(fù)與金屬電極發(fā)生化學(xué)反應(yīng),長期積累下來就會導(dǎo)致電極的逐步退化,最終對電池性能造成不可挽回的影響。據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)報道,新加坡A-STAR研究院化學(xué)工程研究所的科學(xué)家們?nèi)涨把邪l(fā)出一種可減少電極退化的新技術(shù),進(jìn)而可延長鋰離子電池的使用壽命和容量保持率。


該技術(shù)使用了一種豌豆莢結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料,這種材料由氧化鈷(四氧化三鈷)納米顆粒(類似于豌豆莢中的豌豆)和納米碳纖維(類似于覆蓋在豌豆外的豆殼)組成。氧化鈷納米顆粒作為活性材料來存儲鋰離子,四周的中空碳纖維則可以起到保護(hù)氧化鈷顆粒防止其斷裂的作用。此外,這些碳纖維還扮演著從納米粒子中傳導(dǎo)電子的角色。


由于與目前傳統(tǒng)的陽極材料(如錫)相比,氧化鈷具有更強(qiáng)的離子吸附和保持能力,它被認(rèn)為是極富潛力的陽極材料。此外,氧化鈷能很容易地轉(zhuǎn)化為已進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用的陰極材料氧化鈷鋰。


為制造這種豆莢結(jié)構(gòu)材料,研究人員首先在充滿惰性氣體的密閉空間內(nèi)以700攝氏度的溫度對表面附著有聚合葡萄糖的粗制碳酸鈷進(jìn)行加熱,而后再將其放置在空氣中以250攝氏度的溫度加熱。電子掃描顯微鏡顯示,這種結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)上十分整齊,其長度大都是幾個微米,直徑一般在50納米左右。


由這種豌豆莢結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制成的電極能顯著提升鋰離子電池的電池容量和儲電能力,實驗發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過50次充放電循環(huán)后,由其制成的電池仍具有91%的容量。

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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%

研究人員稱,除在鋰離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用前景外,這種豆莢結(jié)構(gòu)復(fù)合材料本身就是一個成就,因為該技術(shù)首次實現(xiàn)了將具有磁性的納米顆粒嵌入到中空的碳纖維之中。這種“納米顆粒膠囊”技術(shù)可以推廣到多個領(lǐng)域,如基因工程、催化、氣體探測、電容以及磁性材料制造等。


總編輯圈點(diǎn)


鋰離子電池在能量密度等許多性能上都大大優(yōu)于鎳氫電池,只是使用壽命這一項引人注目地成為短板。經(jīng)過不到1000次充放電后,鋰離子電池通常是扶墻都站不起來。所以,新加坡研究人員開發(fā)這種“豌豆莢”,既是錦上添花,也是雪中送炭。順便提個醒,很多人買手機(jī)時被告知,其鋰離子電池“頭三回充電必須超過12小時”以及“每次盡量把電用光”等,這些純粹是瞎掰。事實上,過充或過放不但不能使它延年益壽,反而會造成致命傷害。

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