《自然》子刊：新納米結構電池陽極問世，電池能量密度和安全性大增
時間:2021-01-13 10:56來源:前瞻網 作者:綜合報道
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來自俄勒岡州立大學(OSU)工程學院、中佛羅里達大學和休斯頓大學的研究人員開發了一種基于新型納米結構合金的電池陽極，這可能會徹底改變儲能設備的設計和制造方式。
該研究結果已發表在《自然通訊》上。
OSU的研究員表示，“世界的能源需求正在增加，但是開發具有高能量密度和長循環壽命的下一代電化學儲能系統仍然具有技術挑戰性。”
“使用水基導電溶液作為電解質的水基電池是一種新興的、更安全的鋰離子電池替代品。但水系統的能量密度相對較低，而且水會與鋰發生反應，這進一步阻礙了水電池的廣泛應用。"
電池以化學能的形式儲存能量，并通過化學反應將其轉化為為車輛、手機、筆記本電腦和許多其他設備和機器所需的電能。
一般來說，鋰電池的結構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。電解質是一種允許電荷流動的化學介質。
在鋰離子電池中，電荷是通過鋰離子攜帶的，因為它們在放電過程中通過電解質從陽極移動到陰極，在充電過程中又返回。
鋰電池中的電解質通常溶解在有機溶劑中，這些溶劑易燃，在高工作電壓下會分解。因此，這顯然存在安全問題，電極-電解質界面上鋰枝晶的生長會導致電極之間短路。
鋰枝晶類似于生長在鋰離子電池內部的小樹，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飛機起火，2016年Galaxy Note 7智能手機爆炸，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展的儲能替代方案。水性電解質具有成本競爭力，對環境無害，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，研究人員設計了一種由三維“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構的合金，不僅通過控制表面反應熱力學和反應動力學來抑制枝晶的形成，而且在惡劣的電化學條件下，在數千次循環中表現出超高的穩定性。
使用鋅可以轉移兩倍于鋰的電荷，從而提高電池的能量密度。
研究人員表示，實驗中“還用海水代替高純度去離子水作為電解液測試了水電池，”并補充道“其工作顯示了大規模生產這些電池的商業潛力。”
研究人員表示，“理論和實驗研究證明，三維合金陽極具有前所未有的界面穩定性，在這項研究中展示的概念可能會給水電池和非水電池的高性能合金陽極設計帶來轉變，從而徹底改變電池行業。”
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
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