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Nature：科學(xué)家發(fā)現(xiàn)制造快速充電電池的新型材料
文章來(lái)源：未知 更新時(shí)間：2018-07-27 16:14:31
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研究人員發(fā)現(xiàn)了一組能夠制造更高功率電池的材料。劍橋大學(xué)研究人員采用了一種具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的材料，并發(fā)現(xiàn)鋰離子通過(guò)這種材料的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了通過(guò)典型電極材料的速度，這相當(dāng)于一個(gè)快速充電電池。
雖然這些被稱(chēng)為鈮鎢氧化物的材料在典型循環(huán)速率下使用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生更高的能量密度，但它們可用于快速充電應(yīng)用領(lǐng)域。此外，它們的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)行為使研究人員能夠深入了解如何構(gòu)建安全、超快速充電電池，并暗示下一代電池的解決方案可能來(lái)自非常規(guī)材料。該結(jié)果發(fā)表在《Nature》雜志上。
我們每天使用的許多技術(shù)除了電池之外每年都在變得更小，更快，更便宜。除了能在幾分鐘內(nèi)完全充電的智能手機(jī)的可能性之外，制造更好的電池所帶來(lái)的挑戰(zhàn)阻礙了廣泛采用電動(dòng)汽車(chē)和太陽(yáng)能電網(wǎng)規(guī)模存儲(chǔ)這兩種主要清潔技術(shù)。
劍橋大學(xué)化學(xué)系博士后研究員也是該論文第一作者Kent Griffith說(shuō)：“我們一直在尋找具有高速電池性能的材料，這將導(dǎo)致更快的充電速度，并且還可以提供高功率輸出。”
在最簡(jiǎn)單的電池形式中，電池由三個(gè)部分組成：一個(gè)正極、一個(gè)負(fù)極和一個(gè)電解質(zhì)。當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子從正極中被釋放出來(lái)，通過(guò)晶體結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)移動(dòng)到負(fù)極，并被儲(chǔ)存在負(fù)極上。這個(gè)過(guò)程發(fā)生得越快，電池充電的速度就越快。
在尋找新電極材料的過(guò)程中，研究人員通常會(huì)嘗試采用更小的粒子。Griffith說(shuō)：“我們的想法是，如果你讓鋰離子移動(dòng)的距離縮短，它會(huì)表現(xiàn)出更高的速率性能。但要用納米顆粒制造出實(shí)用的電池是很困難的：電解質(zhì)會(huì)產(chǎn)生大量不必要的化學(xué)反應(yīng)，所以電池的壽命不會(huì)太長(zhǎng)，而且制造成本也很高。”
化學(xué)系教授和該論文的通訊作者Clare Grey說(shuō)：“納米粒子的制備可能很棘手，這就是為什么我們?cè)趯ふ夷切┘词故俏⒚准?jí)的粒子，但其自身具有我們所需要的特性的材料。這意味著不必去通過(guò)一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程來(lái)制備它們，這樣可以降低成本。納米顆粒在實(shí)際應(yīng)用中也具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈兺浅?蓬松'，因此很難將它們緊密地包在一起，這點(diǎn)對(duì)電池的體積能量密度是至關(guān)重要的。”
在目前的工作中使用的鈮鎢氧化物具有不捕捉鋰的剛性的開(kāi)放結(jié)構(gòu)，并且比其他許多電極材料具有更大的顆粒尺寸。Griffith推測(cè)這些材料以前沒(méi)有受到重視的原因與它們復(fù)雜的原子排列有關(guān)。然而，他認(rèn)為結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和混合金屬的組成正是材料表現(xiàn)出獨(dú)特的運(yùn)輸特性的原因。
Griffith說(shuō)：“許多電池材料都是基于兩三個(gè)相同的晶體結(jié)構(gòu)，但是這些鈮鎢氧化物是完全不同的。”該氧化物被氧“支柱”隔開(kāi)，使鋰離子在三維空間中移動(dòng)。他說(shuō)“氧柱或剪切面使這些材料比其他電池化合物更堅(jiān)硬，因此，加上它們的開(kāi)放結(jié)構(gòu)意味著更多的鋰離子可以通過(guò)它們，而且速度更快。”
采用不易應(yīng)用于電極材料的脈沖場(chǎng)梯度(PFG)核磁共振波譜(NMR)技術(shù)，研究人員測(cè)量了鋰離子在氧化物中的運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)它們的速度比典型的電極材料高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
目前大多數(shù)鋰離子電池的負(fù)極都是由具有很高能量密度的石墨制成的，但在高速充電時(shí)，往往會(huì)形成枝晶的鋰金屬纖維，這種纖維會(huì)產(chǎn)生短路，使電池易燃。
Grey說(shuō)：“在高速率應(yīng)用中，安全性比在任何操作環(huán)境下都更重要。在需要更安全的石墨替代品的快速充電應(yīng)用中，尋找這些材料及其他可能性類(lèi)似的材料絕對(duì)值得關(guān)注。”
除了鋰的高遷移率外，鈮鎢氧化物也易于制備。Griffith說(shuō)：“許多納米粒子結(jié)構(gòu)需要多個(gè)步驟來(lái)合成，而最終只需要使用一點(diǎn)，因此可擴(kuò)展性是一個(gè)真正的問(wèn)題。但這些氧化物很容易制備，不需要額外的化學(xué)品或溶劑。”
盡管氧化物具有優(yōu)異的鋰傳輸速率，但它們確實(shí)比一些電極材料具有更低的電池電壓。然而，一定的工作電壓有利于安全工作，并且高鋰傳輸速率意味著當(dāng)快速循環(huán)時(shí)，這些材料的實(shí)際（可用）能量密度仍然很高。
雖然這些氧化物可能只適用于某些特定的應(yīng)用，Grey說(shuō)重要的是要不斷尋找新的化學(xué)物質(zhì)和新材料。她說(shuō)：“如果你不繼續(xù)尋找新的化合物，該領(lǐng)域就會(huì)停滯不前。這些有趣的材料讓我們對(duì)如何設(shè)計(jì)高速率電極材料有了很好的了解。” |
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