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美国一大学研发新型电池 能效是目前最先进锂离子电池的3-4倍

2019-11-15 17:52:53
美国一大学研发新型电池 能效是目前最先进锂离子电池的3-4倍

佛罗里达州立大学和康奈尔大学一个研究小组发现,由廉价而安全的部件制成的电池,其电池能效是目前最先进锂离子电池的三到四倍,其研究发表在《自然通讯》上。法姆-佛罗里达州立大学工程学院的博士后研究员Nijamudheen和康奈尔大学的博士生Snehashis Choudhury,以及这两所大学的教职员工,开始了一项雄心勃勃的研究,研究是什么阻碍了目前的电池设计,以及如何改进它。

如果我们看一下电池成本随时间的变化,就会发现这个矢量一直在上升,这并不奇怪,广泛采用电池技术需要更低的成本。为了降低这些成本,研究人员解决了几个与电解质有关的具体问题。电解质是电池结构的关键部分,可以促使离子从一个电极向另一个电极的移动。研究小组开始研究电解质在电池电极上降解的化学过程,研究人员不仅发现了电解质降解的机制,还发现了多种解决方法,发现控制负极形成的相间离子特性是关键。

通过量子计算,Nijamudheen和导师,fsu化学工程助理教授Jose menza - cortes发现,这个问题源于电解液中一种叫做二甘醇成分发生聚合的方式。聚合是一种分子通过化学结合产生一种叫做聚合物的长链状分子过程。就电池而言,电解质在与电池的正极和负极长时间接触后,常常会分裂并重新形成更大的分子。康奈尔大学(Cornell University)教授、乔杜里的顾问林登·阿彻(Lynden Archer)说:虽然降解过程本身是无害的,但副产品会阻止离子进入电池电极,随着时间的推移,这会减少电池所能储存的能量。

然而,尽管这一过程产生的某些聚合物会阻止离子到达电极,但其他聚合物已被证明在延长电池寿命方面有效。在掌握了聚合计算之后,研究人员开始研究聚合过程不会影响电池性能的其他类型电解质。通常,锂电池是由有机碳酸盐电解质制成,但这些电解质高度易燃。因此,为降低热失控和电池火灾风险,必须使用昂贵的热调节基础设施来提供过热电池单元的冷却。相反,研究人员测试了一种不易燃的稳定电解质锂硝酸盐电解质。利用这种电解质,研究人员开始在固态电解质间相(SEI)上进行实验。

SEI是由于电解液分解而形成的一层保护层,通常在电池的第一个周期。法姆-佛罗里达大学工程学院的助理教授门多萨-科尔特斯说:一旦有了一个好的SEI,就有了一个好的电池,研究的想法是找到一种电解质和溶剂,可以形成一种稳定的SEI。研究人员利用牺牲盐或通过电解质引入的分子物种,在电池中自然形成一种新型SEI。还引入了链转移剂(一串分子),与二甘醇相互作用,形成一个屏蔽层,保护带负电荷的电极不被降解。

为了评估设计的有效性,研究团队对电池的使用能力进行了一系列的实验,然后再充电。发现,这种电池可以循环大约2000次,远高于传统的300到500次充电,而传统充电周期与大多数锂离子电池有关。通过这个过程,可以获得这种系统前所未有的效率,研究改进了SEI。这将意味着更持久的电力供应,有很大的潜力。

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