美媒盤點:2021年最具創意電池技術突破

2021年12月31日14:16

原標題:美媒盤點:2021年最具創意電池技術突破 來源:參考消息網

參考消息網12月31日報導 據美國新地圖集網站12月26日報導,由於鋰離子電池充當著現代世界中眾多領域——從手機和筆記本到電動汽車和飛機——的動力來源這一角色,因此,提高電池性能的每一次科學突破都很重要。其中一些來自試用替代材料的漸進進展,另一些來自對整個裝置及其工作方式的徹底重新構想。2021年,不落俗套的研究人員貢獻了一批重要發現。讓我們來看看若干最具創意、最令人感興趣的例子。

為更快充電提供可能性

報導稱,科學家希望用於提高電池充電速度的方法之一是,使用多孔結構材料製造電池兩個電極中的陽極。這能使陽極與傳輸鋰離子的液態電解質接觸的面積變大,使鋰離子更易在這種材料中擴散,從而有可能製造出充電速度快得多的電池。

11月,我們看到就這項技術進行的一次很有前途的新嚐試,荷蘭特文特大學的科學家利用一種名為铌酸鎳的材料製造陽極。這種材料具有“開放和規則”的晶體結構,具有相同且重複的通道,使其成為傳輸離子的理想材料。

科學家使用這種材料製成一個完整電池,發現其充電速度超快,是目前鋰離子電池的10倍。迄今為止,在該領域提出過若干種多孔材料,铌酸鎳的性能明顯優於它者。此前那些材料的特點是,通道無序且隨機,導致結構會在充電期間坍塌,使電池失效。研究人員指出,錦上添花的是,铌酸鎳的體積密度大於如今用於製造陽極的石墨,這也可能使商用電池更輕、更緊湊。

讓鋰起死回生

報導指出,電池在充放電時,鋰離子會在兩個電極間來回運動,但並非所有鋰離子都能完成這個旅程。這導致其間形成與電極斷開連接的電化學惰性的鋰“島”。這些團塊會導致電池儲電能力下降,甚至會導致電池起火。

本週,斯坦福大學的科學家取得了一項令人感興趣的進展。他們想出一種方法,不僅能中和這些具有破壞性的死鋰團塊,還能讓它們復活,以改善電池的性能。研究團隊發現,在充電過程中加上高電流電壓能激活這種惰性鋰,令其“像蠕蟲一樣”蠕動並與電極重新連接,從而使電池壽命延長30%。

研究團隊稱,這一突破可能使快速充電電池或可充電電池的設計得到改進,容量增加,壽命延長。令人感興趣的是,他們指出,對下一代有潛力儲存多達10倍能量的鋰金屬電池而言,死鋰島問題是一個切實問題,因此,這一突破可能帶來新的解決方案,解鎖這種非常有前途的結構。

培根生菜番茄三明治式電池

科學家認為鋰金屬電池具有極大潛力,原因之一是,與如今用於製造電池陽極的石墨和銅相比,鋰金屬的容量和能量密度要大得多。這使鋰金屬在哈佛大學材料科學家李新(音)眼中具有“聖盃”的地位。他於今年5月展示了一種能克服某些迄今為止一直困擾著鋰金屬設計的穩定問題的新型三明治式電池。

這些穩定性問題源於充電過程中形成於鋰金屬陽極上、被稱為“枝晶”的針狀突起,這會導致電池性能下降,使之失效甚至著火。李新及其同事將電池中的液態電解質換成一對固體電解質,試圖以此解決這個問題。這些固體電解質被疊成培根生菜番茄三明治形狀,用於安全地控制形成中的枝晶。

此外,三明治式電池能夠回填枝晶導致的縫隙。在測試中,研究團隊發現,這塊電池在1萬個充電週期後還有82%容量,還有,最有前途的是,其電流密度有朝一日可能使電動汽車在20分鐘內完成充電。

大自然有答案嗎?

據報導,10月,我們看到了另一個解決鋰金屬電池穩定性問題的令人感興趣的方案,美國一個科學家團隊向大自然尋求靈感。這一突破再次有賴於使用固體電解質而不是液態電解質來傳輸電荷的想法,科學家以從木材中提取的纖維素納米纖絲為起點。

將這些微型聚合物管與銅相結合,形成一種固體離子導體,充當“離子超級高速公路”的聚合物鏈之間有微小開口,使鋰離子能以創紀錄的高效率運動。這意味著,這種材料的導電性是其他聚合物離子導體的10至100倍。研究人員還說,由於這種材料像紙一樣薄並具有柔韌性,這種電解質能夠更好地承受電池充電週期的壓力和鋰金屬結構這一環境。

舊瓶裝新酒

報導稱,堿金屬氯電池上世紀70年代就已存在,其能量密度很高,但高活性氯意味著只能一次性使用。今年8月,斯坦福大學的科學家想出了一種穩定這些反應的方法,使這些類型的高密度電池能夠充電。

其解決辦法涉及一種由多孔碳製成的新型電極材料。多孔碳能像海綿一樣擦掉不穩定的氯分子,並安全地將其轉化為放電前的最初形態氯化鈉。一塊大約是目前鋰離子技術電池密度6倍的實驗電池能夠反複充電達200次。

少即是多

報導指出,鋰金屬電池是該行業科學家的關注焦點,6月,我們看到研究人員將它們帶入了創紀錄領域。該研究團隊關注的是一種被稱作“固體電解質界面膜(SEI)”、位於陽極頂部的薄膜,這種薄膜在充電過程中控制哪些分子能從電解質中進入,發揮著重要的把關作用。

陽極周圍發生的複雜反應影響著當前設計中的SEI的表現,但美國能源部太平洋西北國家實驗室的科學家發現了一種新的解決方案,其形式是寬約20微米的極細鋰條,比人的頭髮還要細得多。與鋰條較粗、使重要的電化學反應受到抑製的陽極相比,以這些極細鋰條為基礎製成的陽極的SEI與電解質的相互作用要健康得多。

像填補牙洞一樣

報導稱,今年3月,我們看到了使用固體電解質而非液態電解質電池的另一個令人感興趣的例子。據稱這種設計克服了該領域的一些關鍵障礙。這塊電池有一種由鈉鉀合金製成的“半固體”電極,研究人員將這種合金比作牙醫用來填補牙洞的材料,因為它是堅固的,但能夠流動並被塑造成形。

這種材料在與固體電解質接觸時,其恰到好處的彈性使之不會出現較堅硬但易碎的電極材料會出現的那種裂紋。這種可以自我修復的材料能防止具有破壞性的枝晶形成,且使之可實現比其他固態電池高得多——大約20倍——的電流密度,從而為大大加快充電速度鋪平道路。

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