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西班牙科学家通过设计硬碳电极的结构制造出了
发布时间:2020-12-09 14:04    文章作者:凯博国际

  导语:在西班牙东北部的巴斯克地区的阿拉瓦省,CIC energIGUNE能源合作研究中心的科学家通过设计硬碳电极的结构制造出了一种“超快电池”,经研究表明,这种电池可以将锂电池的能量密度与超级电容器的快速放电时间结合起来。

  CIC energiGUNE研究所的科学家开发出了一种新的电池设计,他们称这种设计结合了高能量密度和超级电容器的快速放电时间。这种新的电池装置可用于高功率系统,有助于解决电网和交通工具中面临的许多能源储存问题。

  相关的研究结论被发表在《电化学学报》(Electrochimica Acta)上。根据科学家的描述,研究小组使用了一种基于硬碳和镍锰钴(NMC)电极的电池以及一种六氟磷酸锂电解液,研究人员发现,由橄榄核破碎和燃烧产生的硬碳的颗粒大小比NMC均匀得多,他们使用球磨工艺将颗粒大小减少到1-10微米,这一过程使制造质量负载降低的电极成为可能。该电池可用于高功率性能的电极调谐,并成为拥有超级电容器的“超快电池”。

  在工作电压为2.9-3.75 V时,电池的能量密度为每立方厘米212瓦时(Wh/cm-3),功率密度为1000 W/cm-3,放电时间为10分钟。在电池的能量密度达到87 Wh/cm-3时,电池功率密度达到6000 W/cm-3,放电时间为32秒。在电流密度为每克1安培,放电时间为32秒的情况下进行的稳定性测试表明,3万次循环后,电池容量降低了90%以上。

  研究小组注意到锂离子和双电层电容器的性能滞后,双电层电容器的放电时间可达一秒,但理论上该技术需要达到放电时间约一分钟才能有得到应用的可能性。但研究人员表示,他们的“超快电池”的容量是基准锂离子电容器的三倍之多。

  为了解释电池的超电容式行为,研究小组提出了这样的理论:“在设计好的电极中,锂离子只能与NMC和硬碳粒子的第一原子层相互作用,从而产生了极快的伪法拉第式反应。”

  锂离子电池被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车和电网储能系统,但传统锂电池的电解液为有机液体,容易引发火灾和爆炸。相比之下,采用陶瓷固态电解质(SSE)薄膜,可以阻止锂枝晶生长,避免因热失控造成短路,从而提供可行性安全解决方案,同时提升能量密度,推动下一代锂离子电池发展。然而,由于材料质量差,目前使用的SSE薄膜的离子电导率较低,大约在10-8到10-5S/cm之间。(图片来源:umd)据外媒报道,由马里兰大学A.詹姆斯·克拉克工程学院(A. James Clark School of Engineering)的Liangbing Hu领导的研究小组,最近开发了一种打印和烧结各种SSE薄膜的新方法。该团队将这种方法命名为“打印

  发展 /

  的技术和利润。”石墨烯可以提高锂离子电池正极的表面积和电导率。据该公司介绍,这些纳米结构电极“使新一代锂离子电池具有优良的功率密度、异常高的能量密度和长循环寿命。”这家初创公司采用一种溶液处理方法,将石墨烯涂覆在“任何基材”上,并通过激光处理步骤形成石墨烯泡沫。该公司最初将石墨烯技术用于制造更好的超级电容器,但现在专注于“超级电池”。纳米技术能源公司正在商业化运输石墨烯油墨,首席执行官强调该公司生产的是“真正的石墨烯”,而不是石墨。《科学杂志》指出尽管每克售价300美元,但大部分以石墨烯形式出售的东西通常都是大块石墨的小块。首席执行官表示,该公司的技术正在被应用于各种锂配方,以及非锂、环保的水性电解质。尽管Nanotech Energy

  据外媒报道,加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)的纳米工程师开发出一种新工艺,可以使废旧正极材料恢复至完好状态,更加经济有效地回收锂离子电池。比起目前的方法,该工艺采用更加环保的化学物质,可将能耗降低80-90%,并使温室气体排放量减少约75%。(图片来源:ucsd)这一工艺特别适用于由磷酸铁锂(LFP)制成的正极。LFP电池使用寿命更长,更安全,并且因为不使用钴或镍等昂贵金属,与其他锂离子电池相比,制造成本更低,因此,被广泛应用于电动工具、电动公共汽车和能源电网,同时也是特斯拉Model 3的首选电池。该校纳米工程教授Zheng Chen表示:“考虑到这些优势,LFP电池

  回收成本 /

  对许多便携式设备和电动汽车来说,锂离子电池是主要充电电源。但这种电池的用途有限,因为它不能既提供高功率输出,又支持可逆储能。据外媒报道,最近的研究提供了一项解决方案,通过加入导电填充物来改善电池性能。(图片来源:aip)最佳电池设计涉及到通过厚电极结构来提高能量密度,但是这种设计的锂离子传输能力差,影响电极发挥关键作用。为了促进锂离子传输,研究人员尝试过各种改进技术,包括建立垂直排列的通道或制造适当大小的孔。另一种方法是采用由具有导电性的碳制成的填充物。此项研究考虑三类填充物:单壁碳纳米管(SWCNT)、石墨烯纳米片和Super P材料。Super P是在石油前体氧化过程中产生的一种碳黑颗粒,也是锂离子电池中最常用的导电填料

  性能 显著提升电导率 /

  电动车电池的尺寸、重量和容量的改进,越来越可能不是来自于一些技术的巨大突破,比如采用一种全新的、至今未被发现的电池化学成分,而是更多来自于锂离子电池的进化,因为锂离子电池从令人信服的概念到现在的应用阶段,已经过了20多年的时间。锂离子电池技术有一个方面可以说是一直在不断进步,那就是它的重量。斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的一个研究项目提出了一种新的电池设计,与现有技术相比,这种电池明显更轻,更不容易起火和燃烧。减轻重量带来了两方面的好处:按重量计算的能量密度提高了,所以可以减小电池的体积和重量。这又在良性循环中降低了汽车的整体重量,所以移动汽车所需的能量更少。技术秘密在于一种新设计的集电体,这是锂离子电池中的一个组件,它能

  ,比传统技术轻80%,不易自燃 /

  现在有一种新技术可用于锂电池,让电池的充电速度更快。如今的锂离子电池经常采用石墨,不过可以找到石墨的替代品。据外媒报道,荷兰特温特大学(the University of Twente)MESA+研究所的研究人员发现,将此种石墨替代性材料制成纳米结构,可以为锂离子开创新的“路径”,从而让电池的充电速度更快。(图片来源:特温特大学)锂离子电池应用广泛,改变了信息社会和移动出行。锂通过电解液在两个电极之间移动,其中一个电极由石墨制成,另一头的阴极则由镍、锰和钴制成。研究人员发现可以用氧化铌钨(NbWO)取代石墨,此种材料的充电速度更快,因为此种材料的通道可以更好地让锂离子移动。而且,无需预先将NbWO制成纳米结构,其本身就已经表现出

  充放电速度更快 /

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