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    2021年最具创意电池技术突破

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      抽奖达人

        参考消息网12月31日报道据美国新地图集网站12月26日报道,由于锂离子电池充当着现代世界中众多领域——从手机和笔记本到电动汽车和飞机——的动力来源这一角色,因此,提高电池性能的每一次科学突破都很重要。其中一些来自试用替代材料的渐进进展,另一些来自对整个装置及其工作方式的彻底重新构想。2021年,不落俗套的研究人员贡献了一批重要发现。让我们来看看若干最具创意、最令人感兴趣的例子。

        为更快充电提供可能性

        报道称,科学家希望用于提高电池充电速度的方法之一是,使用多孔结构材料制造电池两个电极中的阳极。这能使阳极与传输锂离子的液态电解质接触的面积变大,使锂离子更易在这种材料中扩散,从而有可能制造出充电速度快得多的电池。

        11月,我们看到就这项技术进行的一次很有前途的新尝试,荷兰特文特大学的科学家利用一种名为铌酸镍的材料制造阳极。这种材料具有“开放和规则”的晶体结构,具有相同且重复的通道,使其成为传输离子的理想材料。

        科学家使用这种材料制成一个完整电池,发现其充电速度超快,是目前锂离子电池的10倍。迄今为止,在该领域提出过若干种多孔材料,铌酸镍的性能明显优于它者。此前那些材料的特点是,通道无序且随机,导致结构会在充电期间坍塌,使电池失效。研究人员指出,锦上添花的是,铌酸镍的体积密度大于如今用于制造阳极的石墨,这也可能使商用电池更轻、更紧凑。

        让锂起死回生

        报道指出,电池在充放电时,锂离子会在两个电极间来回运动,但并非所有锂离子都能完成这个旅程。这导致其间形成与电极断开连接的电化学惰性的锂“岛”。这些团块会导致电池储电能力下降,甚至会导致电池起火。

        本周,斯坦福大学的科学家取得了一项令人感兴趣的进展。他们想出一种方法,不仅能中和这些具有破坏性的死锂团块,还能让它们复活,以改善电池的性能。研究团队发现,在充电过程中加上高电流电压能激活这种惰性锂,令其“像蠕虫一样”蠕动并与电极重新连接,从而使电池寿命延长30%。

        研究团队称,这一突破可能使快速充电电池或可充电电池的设计得到改进,容量增加,寿命延长。令人感兴趣的是,他们指出,对下一代有潜力储存多达10倍能量的锂金属电池而言,死锂岛问题是一个切实问题,因此,这一突破可能带来新的解决方案,解锁这种非常有前途的结构。

        培根生菜番茄三明治式电池

        科学家认为锂金属电池具有极大潜力,原因之一是,与如今用于制造电池阳极的石墨和铜相比,锂金属的容量和能量密度要大得多。这使锂金属在哈佛大学材料科学家李新(音)眼中具有“圣杯”的地位。他于今年5月展示了一种能克服某些迄今为止一直困扰着锂金属设计的稳定问题的新型三明治式电池。

        这些稳定性问题源于充电过程中形成于锂金属阳极上、被称为“枝晶”的针状突起,这会导致电池性能下降,使之失效甚至着火。李新及其同事将电池中的液态电解质换成一对固体电解质,试图以此解决这个问题。这些固体电解质被叠成培根生菜番茄三明治形状,用于安全地控制形成中的枝晶。

        此外,三明治式电池能够回填枝晶导致的缝隙。在测试中,研究团队发现,这块电池在1万个充电周期后还有82%容量,还有,最有前途的是,其电流密度有朝一日可能使电动汽车在20分钟内完成充电。

        大自然有答案吗?

        据报道,10月,我们看到了另一个解决锂金属电池稳定性问题的令人感兴趣的方案,美国一个科学家团队向大自然寻求灵感。这一突破再次有赖于使用固体电解质而不是液态电解质来传输电荷的想法,科学家以从木材中提取的纤维素纳米纤丝为起点。

        将这些微型聚合物管与铜相结合,形成一种固体离子导体,充当“离子超级高速公路”的聚合物链之间有微小开口,使锂离子能以创纪录的高效率运动。这意味着,这种材料的导电性是其他聚合物离子导体的10至100倍。研究人员还说,由于这种材料像纸一样薄并具有柔韧性,这种电解质能够更好地承受电池充电周期的压力和锂金属结构这一环境。

        旧瓶装新酒

        报道称,碱金属氯电池上世纪70年代就已存在,其能量密度很高,但高活性氯意味着只能一次性使用。今年8月,斯坦福大学的科学家想出了一种稳定这些反应的方法,使这些类型的高密度电池能够充电。

        其解决办法涉及一种由多孔碳制成的新型电极材料。多孔碳能像海绵一样擦掉不稳定的氯分子,并安全地将其转化为放电前的最初形态氯化钠。一块大约是目前锂离子技术电池密度6倍的实验电池能够反复充电达200次。

        少即是多

        报道指出,锂金属电池是该行业科学家的关注焦点,6月,我们看到研究人员将它们带入了创纪录领域。该研究团队关注的是一种被称作“固体电解质界面膜(SEI)”、位于阳极顶部的薄膜,这种薄膜在充电过程中控制哪些分子能从电解质中进入,发挥着重要的把关作用。

        阳极周围发生的复杂反应影响着当前设计中的SEI的表现,但美国能源部太平洋西北国家实验室的科学家发现了一种新的解决方案,其形式是宽约20微米的极细锂条,比人的头发还要细得多。与锂条较粗、使重要的电化学反应受到抑制的阳极相比,以这些极细锂条为基础制成的阳极的SEI与电解质的相互作用要健康得多。

        像填补牙洞一样

        报道称,今年3月,我们看到了使用固体电解质而非液态电解质电池的另一个令人感兴趣的例子。据称这种设计克服了该领域的一些关键障碍。这块电池有一种由钠钾合金制成的“半固体”电极,研究人员将这种合金比作牙医用来填补牙洞的材料,因为它是坚固的,但能够流动并被塑造成形。

        这种材料在与固体电解质接触时,其恰到好处的弹性使之不会出现较坚硬但易碎的电极材料会出现的那种裂纹。这种可以自我修复的材料能防止具有破坏性的枝晶形成,且使之可实现比其他固态电池高得多——大约20倍——的电流密度,从而为大大加快充电速度铺平道路。

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