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《自然》子刊:新纳米结构电池阳极问世,电池能量密度和安全性大增

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来自俄勒冈州立大学(OSU)工程学院、中佛罗里达大学和休斯顿大学的研究人员开发了一种基于新型纳米结构合金的电池阳极,这可能会彻底改变储能设备的设计和制造方式。

该研究结果已发表在《自然通讯》上。

OSU的研究员表示,“世界的能源需求正在增加,但是开发具有高能量密度和长循环寿命的下一代电化学储能系统仍然具有技术挑战性。”

“使用水基导电溶液作为电解质的水基电池是一种新兴的、更安全的锂离子电池替代品。但水系统的能量密度相对较低,而且水会与锂发生反应,这进一步阻碍了水电池的广泛应用。"

电池以化学能的形式储存能量,并通过化学反应将其转化为为车辆、手机、笔记本电脑和许多其他设备和机器所需的电能。

一般来说,锂电池的结构主要包括包括由不同材料制成的阳极和阴极,隔板和电解质。电解质是一种允许电荷流动的化学介质。

在锂离子电池中,电荷是通过锂离子携带的,因为它们在放电过程中通过电解质从阳极移动到阴极,在充电过程中又返回。

锂电池中的电解质通常溶解在有机溶剂中,这些溶剂易燃,在高工作电压下会分解。因此,这显然存在安全问题,电极-电解质界面上锂枝晶的生长会导致电极之间短路。

锂枝晶类似于生长在锂离子电池内部的小树,存在安全隐患。

近年来涉及锂离子电池的燃烧事件包括2013年一架波音787飞机起火,2016年Galaxy Note 7智能手机爆炸,以及2019年特斯拉Model S起火。

研究人员表示,水电池是一种有前途的安全和可扩展的储能替代方案。水性电解质具有成本竞争力,对环境无害,能够快速充电和高功率密度,并且高度耐受误操作。

然而,其大规模使用受到输出电压有限和能量密度低的阻碍(能量密度较高的电池可以储存大量能量,而功率密度较高的电池可以更快地释放大量能量)。

此次的最新研究中,研究人员设计了一种由三维“锌-锰合金”组成的阳极作为电池阳极——其中锰包括锰和其他金属。

使用这种具有特殊纳米结构的合金,不仅通过控制表面反应热力学和反应动力学来抑制枝晶的形成,而且在恶劣的电化学条件下,在数千次循环中表现出超高的稳定性。

使用锌可以转移两倍于锂的电荷,从而提高电池的能量密度。

研究人员表示,实验中“还用海水代替高纯度去离子水作为电解液测试了水电池,”并补充道其"工作显示了大规模生产这些电池的商业潜力。"

研究人员表示,“理论和实验研究证明,三维合金阳极具有前所未有的界面稳定性,在这项研究中展示的概念可能会给水电池和非水电池的高性能合金阳极设计带来转变,从而彻底改变电池行业。”

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文链接:

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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