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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(shí)間:2021-01-13 10:56來源:前瞻網(wǎng)　 作者:綜合報(bào)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(dá)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(huì)徹底改變儲(chǔ)能設(shè)備的設(shè)計(jì)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(chǔ)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(duì)較低，而且水會(huì)與鋰發(fā)生反應(yīng)，這進(jìn)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(chǔ)存能量，并通過化學(xué)反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為為車輛、手機(jī)、筆記本電腦和許多其他設(shè)備和機(jī)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(dòng)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?yàn)樗鼈冊(cè)诜烹娺^程中通過電解質(zhì)從陽極移動(dòng)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(jī)溶劑中，這些溶劑易燃，在高工作電壓下會(huì)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(huì)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(jī)起火，2016年Galaxy Note 7智能手機(jī)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(kuò)展的儲(chǔ)能替代方案。水性電解質(zhì)具有成本競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)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(chǔ)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(jì)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(dòng)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(shí)驗(yàn)中“還用海水代替高純度去離子水作為電解液測(cè)試了水電池，”并補(bǔ)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)研究中展示的概念可能會(huì)給水電池和非水電池的高性能合金陽極設(shè)計(jì)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
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
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