鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:1823次 | 2019年05月15日
研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型的富含鹽的水基電解質(zhì)
從筆記本電腦到割草機(jī),鋰離子電池正在為許多電器提供動(dòng)力。但由于依賴(lài)易燃組件,鋰離子電池在損壞時(shí)容易燃燒。如今,研究人員報(bào)告說(shuō),他們已經(jīng)重新設(shè)計(jì)了這些電池,使其可以利用不易燃燒的材料。除此之外,新電池甚至可能比現(xiàn)有型號(hào)存儲(chǔ)更多的電能。
并未參與該項(xiàng)研究的美國(guó)亞特蘭大市佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)家GlebYushin說(shuō),這項(xiàng)工作是“絕對(duì)顯著的進(jìn)步”。如果商業(yè)化,這種新型電池將有助于保護(hù)電動(dòng)汽車(chē)司機(jī)的安全,即便他們不幸遭遇了事故。
鋰離子電池包含3個(gè)主要部件——兩個(gè)儲(chǔ)電電極和將它們分開(kāi)的液態(tài)有機(jī)電解液。在充放電過(guò)程中,電解液在電極之間來(lái)回運(yùn)送鋰離子,但這些電解液是易燃的。
近年來(lái),研究人員嘗試用固體電解質(zhì)或不會(huì)著火的水基電解質(zhì)取代這些有機(jī)電解質(zhì)。但是,如果這些水基電池的工作電壓超過(guò)1.23伏特(V)——這甚至低于1.5V的AA電池的工作電壓,電極材料就會(huì)與水分子發(fā)生反應(yīng),將它們分解成氫氣和氧氣,這通常會(huì)導(dǎo)致爆炸。
然而,當(dāng)研究人員將工作電壓保持在1.23V的閾值以下時(shí),最終電池存儲(chǔ)的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)鋰離子電池,后者的工作電壓約為4V。
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%
2015年,由馬里蘭大學(xué)帕克分校材料科學(xué)家王春生領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱(chēng),他們開(kāi)發(fā)了一種新型的富含鹽的水基電解質(zhì)。這種含鹽的水電解質(zhì)(WiSE)促使電極周?chē)纬梢粋€(gè)保護(hù)性固體屏障,進(jìn)而防止電極撕裂電解質(zhì)內(nèi)部的水分子。但這些電池中的電極材料只能達(dá)到3V的工作電壓。
2017年,當(dāng)王春生和他的同事報(bào)告稱(chēng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種與4V電壓兼容并可與WiSE一道工作的正極材料時(shí),前景一片光明。接下來(lái)就只剩處理帶負(fù)電荷的電極了。
如今,王春生和他的同事已經(jīng)做到了這一點(diǎn)。他們5月8日在《自然》雜志上報(bào)告說(shuō),已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種基于石墨的陰極,可以在4V或更高電壓下與WiSE一道工作。
新的電極材料包括溴和氯,通過(guò)將反應(yīng)電極材料鎖定在電極周?chē)墓腆w鹽顆粒中,使其免受水基電解質(zhì)的影響。電池中的鋰被固體鋰—溴和鋰—氯鹽顆粒包裹在由碳原子層組成的石墨電極周?chē)?。?dāng)電池充電時(shí),溴原子和氯原子會(huì)拋棄鋰原子,將電子交給陰極,并楔入石墨碳層之間,形成另一種緊密的固體。然后,兩個(gè)電極之間的電壓差驅(qū)動(dòng)帶正電荷的鋰離子通過(guò)水基電解質(zhì)到達(dá)陽(yáng)極,在那里,它們與外部電路提供的電子相遇。
當(dāng)電池在使用過(guò)程中放電時(shí),鋰離子會(huì)放棄這些電子,轉(zhuǎn)而流向陰極。電子通過(guò)外部電路回到陰極,在那里,溴原子和氯原子會(huì)抓住它們。這些電荷會(huì)從石墨中擴(kuò)散出來(lái)。然后鋰離子會(huì)抓住它們,使固體鹽顆粒重新形成,這些固體鹽顆粒會(huì)一直呆在原地,直到下一輪充電。
標(biāo)稱(chēng)電壓:28.8V
標(biāo)稱(chēng)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(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
王春生和他的同事注意到,他們的陰極材料已經(jīng)能夠比傳統(tǒng)陰極材料多儲(chǔ)存大約30%的電荷。但包括新電解質(zhì)在內(nèi)的全電池最終是否能比商業(yè)電池儲(chǔ)存更多的能量,仍有待觀察。
新的WiSE電池將不需要鈷,這是一種傳統(tǒng)鋰離子陰極中的有毒金屬。在剛果民主共和國(guó),鈷礦開(kāi)采與普遍的礦工死亡有關(guān),這些死者通常是兒童。剛果民主共和國(guó)的鈷礦相對(duì)豐富。新電池不僅對(duì)消費(fèi)者更安全,對(duì)礦工和環(huán)境也更安全。
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