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新型負(fù)極材料問(wèn)世 讓電池在20秒內(nèi)提供超過(guò)40%的容量
時(shí)間:2020-09-12 15:25來(lái)源:蓋世汽車(chē) 作者:Elisha
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圖片來(lái)源：UCS官網(wǎng)
據(jù)外媒報(bào)道，加州大學(xué)圣地亞哥分校（UC San Diego）的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種新負(fù)極材料，可以使鋰離子電池在數(shù)分鐘內(nèi)安全充電，并且可以承受數(shù)千次的充放電循環(huán)。這種新型負(fù)極名為無(wú)序巖鹽，由地球上儲(chǔ)量豐富的鋰、釩和氧原子組成，其排列方式與廚房里用的普通食鹽相似，但是更加隨機(jī)。在需要高能量密度和高功率的商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，如電動(dòng)汽車(chē)、真空吸塵器或電鉆，這種材料前景廣闊。
這項(xiàng)研究由Ping Liu教授和Shyue Ping Ong教授實(shí)驗(yàn)室的納米工程師共同領(lǐng)導(dǎo)。
目前，鋰離子電池常用的負(fù)極材料有兩種。最常見(jiàn)的是石墨負(fù)極，它的能量密度極高，單次充電可以支持電動(dòng)汽車(chē)行駛數(shù)百英里。然而，由于鋰金屬電鍍過(guò)程，如果石墨負(fù)極充電速度過(guò)快，會(huì)容易發(fā)生火災(zāi)和爆炸。石墨負(fù)極的替代品——鈦酸鋰負(fù)極更加安全，可以快速充電，但是能量密度顯著降低，導(dǎo)致電池需要更頻繁地充電。
研究人員發(fā)現(xiàn)的新型無(wú)序巖鹽負(fù)極Li3V2O5，處于重要的中間位置：它比石墨更安全，但是至少可以比鈦酸鋰多提供71%的能量。“它的容量和能量比石墨稍低，但充電速度更快，更安全，使用壽命更長(zhǎng)。而且，它具有更低的電壓，與目前使用的商業(yè)化快速充電鈦酸鋰負(fù)極相比，能量密度得到大大地提高。”主要研究人員Haodong Liu說(shuō)，“因此，使用這種材料，我們可以制造出充電快、壽命長(zhǎng)、安全的電池，而且不會(huì)犧牲太多的能量密度。”
為了將這一發(fā)現(xiàn)商業(yè)化，研究人員成立了Tyfast公司。這家初創(chuàng)公司將電動(dòng)巴士和電動(dòng)工具定為首要市場(chǎng)，因?yàn)長(zhǎng)i3V2O5無(wú)序巖鹽很適合用于便于充電的設(shè)備。研究人員計(jì)劃繼續(xù)研發(fā)此種鋰釩氧化物負(fù)極材料，同時(shí)優(yōu)化其他電池組件，以開(kāi)發(fā)商業(yè)上可行的整個(gè)電池。
Ping Liu表示：“很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，電池領(lǐng)域一直在尋找一種電位略高于石墨的負(fù)極材料，以實(shí)現(xiàn)安全、可快速充電的鋰離子電池。這種材料填補(bǔ)了重要的知識(shí)和應(yīng)用空白，并且可以作為當(dāng)今鋰離子電池制造工藝的直接替代解決方案，我們對(duì)它的商業(yè)潛力感到興奮。”
為什么要嘗試這種材料？
六年前，研究人員開(kāi)始嘗試用無(wú)序巖鹽作為電池的負(fù)極。加州大學(xué)圣地亞哥分校研究小組的Haodong Liu稱(chēng)：“當(dāng)人們將其作為負(fù)極時(shí)，該材料的電壓需要為1.5V才能放電，但是，當(dāng)我們觀察這種負(fù)極材料在電壓為1.5V時(shí)的結(jié)構(gòu)時(shí)，認(rèn)為這種材料有一種特殊的結(jié)構(gòu)，可以容納更多的鋰離子。這意味著它可以作為負(fù)極在更低的電壓下工作。”
在這項(xiàng)研究中,研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，他們的無(wú)序巖鹽負(fù)極可以在0.6V的平均電壓下，可逆循環(huán)兩種鋰離子。這要高于石墨負(fù)極的0.1V，在高充電速率下，取消鋰金屬電鍍過(guò)程可以使電池更安全,但是，低于鈦酸鋰嵌鋰時(shí)的電壓——1.5V，因此可以存儲(chǔ)更多的能量。
研究人員表明，Li3V2O5負(fù)極的充放電循環(huán)次數(shù)可超過(guò)6000次，而容量衰減可以忽略不計(jì)，并且可以快速充放電能，在20秒內(nèi)提供超過(guò)40%的容量。由于獨(dú)特的低能量屏障再分配嵌鋰機(jī)制，所以電壓低，而且能量傳輸速率高。
為了了解無(wú)序巖鹽Li3V2O5負(fù)極為何可以良好運(yùn)行，來(lái)自Shyue Ping Ong教授材料虛擬實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者Zhuoying Zhu進(jìn)行了理論計(jì)算。他表示：“我們發(fā)現(xiàn)，Li3V2O5通過(guò)一種不同于其它電極材料的充電機(jī)制工作。由于鋰離子以某種方式重新排列，所以電壓低，而且鋰迅速擴(kuò)散。”
Ong表示：“我們相信，還有其它電極材料等著被發(fā)現(xiàn)，它們具有類(lèi)似的機(jī)制。”
(責(zé)任編輯：子蕊)
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