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賓大工程師設計可反復充電的電極,緩解自然資源的壓力

汽車玩家 ? 來源:蓋世汽車 ? 作者: Elisha ? 2019-12-14 11:07 ? 次閱讀
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蓋世汽車訊 可充電鋰離子電池是一項革命性技術,廣泛應用于從手機到汽車的方方面面。但是,鋰離子電池不能無限充電,在每次充放電循環(huán)中,電池中的材料都會膨脹開裂,逐漸降低存儲性能,直至失效。因此,對新鮮鋰、鈷和其他必要元素的需求不斷增長,給自然資源造成壓力。

據(jù)外媒報道,賓夕法尼亞大學的工程師們,希望使用非鋰金屬離子,設計一種可反復充電的電極,提高電池工作效率。據(jù)認為,鎂離子電池是一種很有前途的替代品,但是,能夠可逆存儲鎂的材料,更容易出現(xiàn)裂紋和其他問題。

該校研究人員找到一種解決方案,在鎂離子電池的負極中,加入熔點略高于室溫的金屬鎵。在每個充放電周期中,這些負極產(chǎn)生融固化現(xiàn)象,可以“愈合”裂紋,避免出現(xiàn)膨脹,從而提升可充電電池的存儲能力。這項研究由賓大工學院材料科學與工程系教授Eric Detsi,以及他實驗室的研究生Lin Wang和Samuel Welborn領導進行。實驗表明,新型鎵基負極能夠明顯延長鎂離子電池的壽命,而且不需要昂貴的納米材料。這些特性使鎂離子電池非常適合大規(guī)模應用,減輕鋰資源壓力。

Wang表示:“由于結合和釋放離子,大多數(shù)電極材料的體積會發(fā)生變化。固體-固體相變帶來的應力累積會破壞電池,使其發(fā)生裂解?!痹谑覝叵拢冩壥且环N具有延展性的銀色金屬,很容易被誤認為是鋁或鎳。這種材料的熔點為85華氏度,將其握在手中,體溫足以將一塊固體鎵轉變成類似水銀的液體。Welborn表示:“在我們的新研究中,材料不是從一種固體變成另一種固體,而是從原來的固體變成液體。因為不存在固體-固體相變應力,所以可以抑制裂解?!?/p>

在該研究中,在該研究中,起初鎵以固體形式出現(xiàn)與鎂構成合金,形成微米級顆粒?!盀榱擞秒娮臃绞竭B接這些小顆粒,”Wang說,“我們把它們放入由碳纖維、炭黑和石墨烯組成的導電網(wǎng)狀物中,這些材料都用粘合劑粘在一起?!碑旀V離子與鎵分離時,由于電池在略高于鎵熔點的溫度下工作,鎵就轉變?yōu)橐簯B(tài)。Welborn稱:“因為被包裹在其他材料網(wǎng)狀物中,所以當鎵從固體變成液體時,不會像普通液體那樣四處流動?!?/p>

研究人員利用X射線檢查電池內(nèi)部材料的晶體結構。他們發(fā)現(xiàn),當電池充電時,離子回到負極,并重新形成固態(tài)的鎵鎂顆粒。重要的是,在每個循環(huán)過程中,這些顆粒都能重新生成,所以不會出現(xiàn)裂紋,降低電池性能。研究人員開發(fā)的實驗電池,能夠承受超過1000次的充電循環(huán),大約是目前最先進的鎂離子電池的5倍。

Detsi稱:“很明顯,我們需要電池替代技術。這樣做不是為了取代鋰,而是為了支持鋰資源。在這項研究中,電池所展現(xiàn)出的上千次循環(huán),代表重大的進步。我們的夢想是,利用這種獨特的自愈行為,設計一種可以無休止充放電的電池?!?/p>

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內(nèi)容侵權或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
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