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新型纳米结构合金可用于电池负极设计

作者:Elisha 来源:盖世汽车新能源 发布时间:2021-01-15 浏览:

中国储能网讯:据外媒报道,俄勒冈州立大学工程学院(Oregon State University College of Engineering)的研究人员利用新纳米结构合金开发出一种电池负极,或将彻底改变储能设备的设计和制造方式。

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(图片来源:俄勒冈州立大学)

采用这种锌锰基合金,有望用更安全、更便宜、更丰富的海水,取代电池电解液中的常用溶剂。

俄亥俄州立大学化学工程研究员Zhenxing Feng表示:“目前,全球能源需求不断增长,从技术上而言,如何开发下一代电化学储能系统,使其具有高能量密度和长循环寿命,仍然具有挑战性。相对于锂离子电池来说,水性电池以水基导电溶液为电解液,是一种更加安全的新兴替代品。然而,水性体系的能量密度较低,水又会与锂发生反应,进一步阻碍了水基电池的广泛应用。

电池以化学能的形式储存电力,并通过反应将其转化为电能,用以驱动车辆、手机、笔记本电脑和许多其他设备和机器。锂电池主要由正极、负极、隔膜和电解液等构成,正负极通常由不同的材料制成,而电解液是一种允许电荷流动的化学介质。

顾名思义,在锂离子电池的放电过程中,锂离子携带电荷,通过电解液从负极移动至正极,然后在充电过程中再次返回。Feng表示:“在锂离子电池中,电解液通常溶解在有机溶剂中。这种溶剂易燃,而且在高运行电压下经常发生分解。”因此,存在很大的安全隐患,比如在电极-电解质界面生长的锂枝晶能刺穿隔膜,导致正负极短路,并引起电池自燃。

作为安全和可扩展储能替代方案,水性电池极具发展前景。水性电解液具有成本竞争力,对环境污染少,而且能够快速充电,提供高功率密度,可高度容忍误操作。然而,由于输出电压有限,能量密度较低,其大规模应用受到阻碍(能量密度较高的电池储存的能量更多,而功率密度较高的电池可以更快地释放大量能量)。

俄勒冈州立大学、中佛罗里达大学和休斯顿大学的研究人员设计了一种由三维“锌-M合金”构成的电池负极,其中M指的是锰和其他金属。Feng表示:“采用这种具有特殊纳米结构的合金,可以控制表面反应热力和反应动力,从而抑制枝晶形成。在恶劣的电化学条件下,这种材料经过数千次循环,仍表现出超高稳定性。而且,锌可以传递比锂多一倍的电荷,从而提高电池能量密度。

Feng和Maoyu Wang等研究人员采用X射线吸收光谱和成像技术,跟踪负极在不同运行阶段的原子和化学变化,以证实3D合金在电池中的功能。Feng表示,“我们用海水代替高纯度去离子水作为电解液,并对我们的水基电池进行测试。通过我们的工作可以看出,这些电池具有大规模生产的商业潜力。”

Feng表示:“研究表明,3D合金负极具有前所未有的界面稳定性,这是通过锌在合金表面的有利扩散通道实现的。此项研究展示的概念或将改变水性和非水性电池的高性能合金负极设计模式,给电池行业带来革命性变化。”图片(来源:盖世汽车/作者:Elisha)

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