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材料可能会成为锂电池有力竞争者的新型电池阴极材料设计

2017-07-11  918

德克萨斯大学达拉斯分校和首尔国立大学的研究人员设计了一种新型电池阴极材料,为锂离子电池提供了一种低成本、更环保的选择。他们的钠离子设计,保留了锂离子电池的高能量密度,用钠(黄色)取代了锂原子(绿色)的大部分。新材料的分层结构还包括锰(紫色)和氧(红色)。这项研究发表在杂志the journal Advanced Materials上。图片来自:德州大学达拉斯分校。

在电池领域,锂电池技术是目前的佼佼者,其应用范围很广,例如在你的口袋里的手机,以及越来越多的电动汽车。

但是,达拉斯德克萨斯大学与首尔国立大学合作开发的一种新型锰和钠基材料,可能会成为锂电池的有力竞争者,其能够提供一种潜在地成本更低、更环保的燃料,为下一代设备和电动汽车提供燃料。

“电池成本是一个重大问题,”Kyeongjae Cho博士说,他是埃里克琼森工程和计算机科学学院的材料科学和工程教授,也是一篇论文的资深作者,他在高级材料杂志上描述了这种新材料。

Cho说,随着制造商和消费者不断推动和使用电动汽车,锂的生产可能很难跟上需求的增长。根据国际能源机构最近的一份报告显示,2016年全球电动汽车的销量超过了200万辆,比2015年增加了100万辆。报告指出,根据政策环境的发展,到2020年,中国的需求人口将在900万到2000万之间,到2025年将达到4000万到7000万之间。

在电动汽车电池的成本节约方面,使用钠的成本会更低,因为钠的含量更丰富,但它也有一些缺点。

“锂是一种更昂贵、资源有限的资源,必须从地球上的仅有的几个地方进行开采,”Cho说。“钠可以从海水中提取,是不存在开采问题的。”不幸的是,虽然钠离子电池可能比使用锂的电池要便宜,但钠的能量密度比锂低20%。”

电池的能量密度或能量储存能力决定了设备的运行时间。

“我们利用之前的经验,思考这些问题——我们如何将这些想法结合起来,想出新的解决问题的办法?” Cho说。

电池由正电极或阳极,负极或阴极,中间有电解液组成。在标准的锂离子电池中,阴极由锂、钴、镍和氧组成,而阳极是由石墨制成的,而石墨是一种碳。当电池充电时,锂离子通过电解液进入阳极,并附在碳上。在放电过程中,锂离子会回到阴极,并为运行设备提供电能。

“几年前,在锂离子电池阴极中使用氧化锰来增加容量,这是非常理想的的,但不幸的是,这种组合很不稳定。”Cho说。

在Cho和他的同事开发设计中,利用钠取代了阴极中的大部分锂,并利用锰取代了钴和镍等更昂贵、更稀有的元素。

“我们的钠离子材料更稳定,而且仍然保持锂的高能量容量,”Cho说。 “我们认为这是可扩展的,这是我们研究的重点,我们希望以这样的方式制作材料,使该过程与商业大规模生产相兼容。”

基于他们对其他实验材料的物理和化学知识的了解,研究人员用合理的材料设计来解决这个问题。他们首先进行计算机模拟,以确定在实验室制造和测试材料之前得到最理想的原子结构。

Cho说,他的研究并不仅仅是为了找到更好的电池。他说,这项研究的过程也同样重要和有趣。

“当托马斯爱迪生发明灯泡时,他尝试了数千种不同的材料,来比较哪种材料能起作用,”赵说。“为了解决当今社会的重大工程问题,我们需要开发大量的新材料——电池材料、污染控制材料等。Edison正在完善一个项目——光球——但我们需要更多的技术。我们需要尽快找到解决办法。”





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