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《自然》子刊：新納米結(jié)構(gòu)電池陽極問世，電池能量密度和安全性大增
時間:2021-01-13 10:56來源:前瞻網(wǎng) 作者:綜合報道
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來自俄勒岡州立大學(xué)(OSU)工程學(xué)院、中佛羅里達大學(xué)和休斯頓大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種基于新型納米結(jié)構(gòu)合金的電池陽極，這可能會徹底改變儲能設(shè)備的設(shè)計和制造方式。
該研究結(jié)果已發(fā)表在《自然通訊》上。
OSU的研究員表示，“世界的能源需求正在增加，但是開發(fā)具有高能量密度和長循環(huán)壽命的下一代電化學(xué)儲能系統(tǒng)仍然具有技術(shù)挑戰(zhàn)性。”
“使用水基導(dǎo)電溶液作為電解質(zhì)的水基電池是一種新興的、更安全的鋰離子電池替代品。但水系統(tǒng)的能量密度相對較低，而且水會與鋰發(fā)生反應(yīng)，這進一步阻礙了水電池的廣泛應(yīng)用。"
電池以化學(xué)能的形式儲存能量，并通過化學(xué)反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為為車輛、手機、筆記本電腦和許多其他設(shè)備和機器所需的電能。
一般來說，鋰電池的結(jié)構(gòu)主要包括包括由不同材料制成的陽極和陰極，隔板和電解質(zhì)。電解質(zhì)是一種允許電荷流動的化學(xué)介質(zhì)。
在鋰離子電池中，電荷是通過鋰離子攜帶的，因為它們在放電過程中通過電解質(zhì)從陽極移動到陰極，在充電過程中又返回。
鋰電池中的電解質(zhì)通常溶解在有機溶劑中，這些溶劑易燃，在高工作電壓下會分解。因此，這顯然存在安全問題，電極-電解質(zhì)界面上鋰枝晶的生長會導(dǎo)致電極之間短路。
鋰枝晶類似于生長在鋰離子電池內(nèi)部的小樹，存在安全隱患。
近年來涉及鋰離子電池的燃燒事件包括2013年一架波音787飛機起火，2016年Galaxy Note 7智能手機爆炸，以及2019年特斯拉Model S起火。
研究人員表示，水電池是一種有前途的安全和可擴展的儲能替代方案。水性電解質(zhì)具有成本競爭力，對環(huán)境無害，能夠快速充電和高功率密度，并且高度耐受誤操作。
然而，其大規(guī)模使用受到輸出電壓有限和能量密度低的阻礙(能量密度較高的電池可以儲存大量能量，而功率密度較高的電池可以更快地釋放大量能量)。
此次的最新研究中，研究人員設(shè)計了一種由三維“鋅-錳合金”組成的陽極作為電池陽極——其中錳包括錳和其他金屬。
使用這種具有特殊納米結(jié)構(gòu)的合金，不僅通過控制表面反應(yīng)熱力學(xué)和反應(yīng)動力學(xué)來抑制枝晶的形成，而且在惡劣的電化學(xué)條件下，在數(shù)千次循環(huán)中表現(xiàn)出超高的穩(wěn)定性。
使用鋅可以轉(zhuǎn)移兩倍于鋰的電荷，從而提高電池的能量密度。
研究人員表示，實驗中“還用海水代替高純度去離子水作為電解液測試了水電池，”并補充道“其工作顯示了大規(guī)模生產(chǎn)這些電池的商業(yè)潛力。”
研究人員表示，“理論和實驗研究證明，三維合金陽極具有前所未有的界面穩(wěn)定性，在這項研究中展示的概念可能會給水電池和非水電池的高性能合金陽極設(shè)計帶來轉(zhuǎn)變，從而徹底改變電池行業(yè)。”
原文鏈接：https://phys.org/news/2021-01-nanostructured-alloy-anode-big-revolutionizing.html
https://www.nature.com/articles/s41467-020-20334-6
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