據(jù)外媒報道,美國德雷塞爾大學(Drexel University)的材料科學與工程學專業(yè)的研究員們與法國、以色列研究人員共同設計了新款鋰
電池電極,或許未來
電動車的充電耗時只需短短數(shù)秒。
新款鋰離子電池電極簡介
新款鋰電池的電極采用了一款名為MXene的二維材料,其導電性高。據(jù)研究團隊透露,未來新款鋰電池或許能實現(xiàn)電動車的“近即時(near-instant)”充電。
他們表示,新電極或將解決長久以來一直困擾電動車市場的一大技術難題。在早前的研究中,該團隊將目光放到了超級電容器(supercapacitors)上,該器件是便攜式電子產品的儲能設備�?上У氖牵撈骷䞍H能被用于快速充放電,無法長期儲能。
如今,德雷塞爾大學的工程學研究員們采用了MXene材料,結合了超級電容器與傳統(tǒng)大容量電池的優(yōu)點和特性。
首席研究員Yury Gogotsi表示,團隊的研究成果駁斥了普遍接受的業(yè)內教條(dogma)——相較于雙電層電容器(electrical double-layer capacitors)內所用的物理存儲器(physical storage),電池內化學物質的電荷存儲(chemical charge storage)的充電速率要慢得多。
Gogotsi在一份聲明中宣稱:“我們抽取了薄薄的一層MXene電極,用于演示充電速率,整個充電過程只需數(shù)十毫秒。這主要得益于MXene材質的超高導電性,為未來研發(fā)超快速儲能設備鋪平了道路,未來鋰電池的充放電耗時將僅需數(shù)秒,且所儲存的電能要遠高于常規(guī)的超級電容器。”
MXene材質簡介
MXene是一款扁平的納米材料,于2011年被德雷塞爾大學材料科學與工程系的研究人員所發(fā)現(xiàn),其外觀酷似三明治,由氧化物與導電的碳及金屬填充物構成,而氧化物相當于三明治中的面包,將填充物夾在中間。在材料制造過程中,研究人員將采用層壓法來制作MXene。不妨想象下桶裝品客薯片的樣子,該材質的各層材料就是如此堆疊而成的。
MXene材質電極的弊端及改進
盡管MXene的導電性相當出色,但其結構不利于鋰離子在電池內的擴散。對于鋰電池的儲能而言,鋰離子留在氧化還原活性位置(redox active sites),這類位置的數(shù)量越多,電池保有的電量就越大。重要的是,電池還使鋰離子能夠自由移動,否則其無法到達氧化還原活性位置。
為使MXene的鋰離子能自由移動,研究人員對其結構進行了一定的調整。研究人員將MXene與水凝膠(hydrogel)相混合,改變了其結構,使鋰離子能自由移動。
Yury Gogotsi表示:“理想的電極架構是多通道結構(multi-lane),以便鋰離子高速移動。研究團隊研發(fā)的大孔隙電極設計恰好實現(xiàn)了該目標,使充電過程短短數(shù)秒內完成。”
MXene電極的未來展望
該大學表示,該款電池材料的研發(fā)應用具有重要意義,其在很大程度上解決了目前電動車推廣受阻的一大技術難題。
Gogotsi表示:“若未來該款低維導電材質電池電極得到采用,將大幅提升電池的充電效率及電量,進而將提升車輛、筆記本電腦、手機電池的充電速率,只需數(shù)秒或數(shù)分鐘就能完成,無需苦等數(shù)小時。”
Gogotsi表示,采用MXene作為電極材料的最大好處在于其導電性。但研究團隊也承認,該電極材料及相關技術看似頗具前景,但目前仍不確定試制成功并用于車輛后的實際情況,但他們表示,一旦應用到車輛及手機中,將徹底顛覆當前所用的電池。
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