电池:钠离子阴极;防止树突;超级电容器。
钠-阴极
德克萨斯大学达拉斯分校和首尔国立大学的研究人员开发了一种锰钠离子基阴极他们希望这种材料能制造出成本更低的可充电电池。
在典型的锂离子电池中，正极由锂、钴、镍和氧组成。
德克萨斯大学达拉斯分校材料科学与工程教授Kyeongjae Cho说:“锂是一种更昂贵、更有限的资源，只能在全球少数几个地区开采。”“钠不存在采矿问题——它可以从海水中提取出来。不幸的是，尽管钠离子电池可能比锂离子电池便宜，但钠离子电池提供的能量密度往往比锂离子电池低20%。”
为了解决有限的能量存储容量，该团队转向了锰。“几年前，人们对在锂离子电池阴极中使用氧化锰来增加容量抱有很大的希望，但不幸的是，这种组合变得不稳定，”Cho说。
为了增加稳定性，钠取代了阴极中的大部分锂，而锰则取代了更昂贵、更稀有的钴和镍。
研究团队的钠离子设计保留了锂离子阴极的高能量密度，将大部分锂原子(绿色)替换为钠原子(黄色)。这种新材料的分层结构还包含了锰(紫色)和氧(红色)。(资料来源:德克萨斯大学达拉斯分校)
“我们的钠离子材料更稳定，但它仍然保持了锂的高能量容量，”Cho说。“我们相信这是可扩展的，这是我们研究的重点。我们希望以这种方式制作材料，使其工艺与商业大规模生产兼容。”
防止固体电解质中的枝晶
麻省理工学院的研究人员提出了一种使锂电池更安全的新方法树突这种金属晶须在充电时积聚在电池电解质中，可能会导致短路。
可充电锂离子电池在正极和负极之间使用液态电解质。虽然固体电解质(如陶瓷)被认为是提高安全性和容量的一种方法，但测试表明，这类材料的性能往往有些不稳定，而且比预期的更容易短路。
根据这项研究，问题在于研究人员在寻找固体电解质材料时一直专注于错误的特性。当时流行的观点是，材料的坚固度或粘稠度(一种称为剪切模量的特性)决定了枝晶是否能渗透到电解质中。但新的分析表明，表面的平滑度才是最重要的。
研究人员发现，在坚硬的固体材料中形成树突的方式与在液体电解质中形成树突的过程完全不同。在固体表面上，其中一个电极上的锂开始通过电化学反应沉积到电解质表面上存在的任何微小缺陷上，包括微小的凹坑、裂缝和划痕。一旦在这种缺陷上形成了初始沉积，它就会继续堆积。堆积物从树突的尖端而不是底部延伸，因为它强行进入固体，就像楔子一样，打开了一个越来越大的裂缝。
研究小组认为，只要专注于实现更光滑的表面，就可以消除或大大减少固体电解质电池中树突形成的问题。除了避免与液体电解质相关的可燃性问题外，这种方法也可以使用固体锂金属电极。这样做可能会使锂离子电池的能量容量翻一番。
超级电容器电极
华盛顿大学的工程师们开发了一种制造工艺超级电容器电极材料使用富碳气凝胶与二硫化钼或二硫化钨结合，更快速、更便宜。
“在工业应用中，时间就是金钱，”华盛顿大学材料科学与工程助理教授彼得·保佐斯基(Peter Pauzauskie)说。“我们可以在几小时内制作这些电极的起始材料，而不是几周。这可以显著降低制造高性能超级电容器电极的合成成本。”
有效的超级电容器电极是由富含碳的材料合成的，这些材料也具有高表面积。与传统电池不同，超级电容器直接在其表面储存和分离正负电荷。
为了获得高效电极的高表面积，研究小组使用了气凝胶，这是一种潮湿的凝胶状物质，经过干燥和加热的特殊处理，以空气或其他气体取代其液体成分。这些方法保留了凝胶的三维结构，使其具有高表面积和极低的密度。
“一克气凝胶的表面积相当于一个足球场的面积，”Pauzauskie说。
用电极材料组装的超级电容器硬币电池的x射线计算机断层扫描图像切片。就在硬币电池盖下的薄层是电极材料层和分离器层。(来源:William Kuykendall)
气凝胶是由甲醛和其他碳基分子制成的凝胶状聚合物构成的。虽然气凝胶本身可以作为电极，但研究人员通过在富含碳的凝胶基质中加入二硫化钼或二硫化钨薄片(约10到100个原子厚)来提高其性能。他们在不到两个小时的时间内合成了一种满载的湿凝胶。
气凝胶干燥后，他们将其与粘合剂和另一种富含碳的材料结合起来，制成了一种工业“面团”，该团队将其擀成只有千分之几英寸厚的薄片。他们从面团上切下半英寸的圆盘，并将它们组装成简单的硬币电池外壳，以测试这种材料作为超级电容器电极的有效性。
在测试中，电极的电容比单独的富碳气凝胶至少高出127%。研究小组预计，装有更薄的二硫化钼或二硫化钨薄片的气凝胶将表现出更好的性能，并计划对工艺进行微调。
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
留下回复