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2020年,电池领域的十大科技突破

日期:2021-03-24    点击量:125

锂离子电池的发展是现代世界发展进步的推进器,人们对如何提高电池性能保持着高度关注,科研人员正在不断探索各种途径来优化电池的性能。无论是制造世界上最快的电极,用核废料制造电池部件,还是借助声波防止火灾危险,在2020年,科学家向我们展示了开发下一代储能技术方面他们是多么富有想象力。

科研人员探究了很多改进电极性能的方法,比如,添加少量的石墨烯使电解质变得更加硬固、先进的材料是如何实现电池快速充电或提供更高的能量密度。。外媒Newatlas网站评选出电池领域的十大科技突破,下面和锂电前沿小编一同看看这些研究的亮点以及一些颠覆性、跳脱于常规思维定式的电池设计?

今当电池计及化学行业发展是受高度关注的科研领域,在2020年间科研人员提供了许多改进设备的方法,且这些设备将会在未来的几年内得到改进。

锂金属材料的开发和应用

通过引入新材料来提升电池性能有很多的选择,其中一种选择是具有巨大的开发潜力锂金属。有人把锂金属描述为一种“梦幻材料”,用锂金属作为阳极来代替目前使用的石墨和铜,可以显著提高电池的能量密度,使电池能够工作更长的时间以及储存更多的能量。

但使用锂金属最大的问题是安全性。当电池充电时,锂金属表面会形成树突状锂枝晶,进而导致电池短路、起火,最终导致设备故障。在2020年有一些解决这个问题的新方法,其中一个是华盛顿州立大学教授Min-Kyu Son,他们防止锂枝晶形成的方法是在阴极和电解质溶液中加入某种化学物质,在锂金属阳极表面形成保护层,使其在500次的充放电循环中保持稳定。值得一提的是,这个过程可以集成到现有的制造程序中,以便于大规模生产制造。

无枝晶的固态电池

12月,加州电池制造商QuantumScape公布了用于电动汽车的固态锂金属电池的一些性能数据。数据显示:一辆平板电动车能在短短15分钟内就可以充电到80%。该公司声称可以做到部分原因是:使用了固体电解质而非液体电解质,以及由锂金属制成的阳极在充电时,这种阳极会自身形成隔离物,有效避免了枝晶问题。

这种电池具有出色的能量密度,大约是特斯拉3型锂电池的四倍,容量为1千瓦时/升。在重量方面,这款电池还提供了380至500瓦时/公斤的电量,超过了特斯拉电池组的260瓦时/公斤。研究还发现,这种电池在经过800次循环后仍能保持80%的容量,在电池寿命和安全性方面同比其他电池更为优越。

声波方面的探究

今年2月,加州大学圣地亚哥分校的一组研究人员探索出了一种颇具想象力的方法来防止锂金属电池中的枝晶生长。该研究小组制造了一个微型超声波装置,并将其整合到锂金属电池中,使其能够通过液体电解质发送高频声波,使其流动平缓,这将有助于在阳极上形成整齐、均匀的锂分布,而不是形成导致枝晶生长的不均匀团块。在测试中,这种配备了超声波的电池可以在10分钟内从0%充电到100%,并在250次充电循环中保持稳定,再次预示着锂金属电池的安全性提高。

一种快充电池

德州农工大学的科学家展示了一种装置,这种装置采用了由碳纳米管制成的微小支架作为阳极,这是科学家们就如何实现锂金属电池的又一个例子。这些分子与锂离子结合在一起,有助于避免在表面形成树突。

虽然这种设计在安全性方面与传统设计相差无几,但这种电池结构也被证明了这种电池能够产生更大的电流。事实上,它的体积要比传统电池大得多,以至于研究小组报告说,这个装置能处理的电流是传统电池的五倍,这就提供了一种电池能短时间充满电的研究方向。

添加硅元素

虽然锂金属作为一种阳极材料具有很大的潜力,但其他金属也具有可开发的前景。硅就是其中之一,它的锂离子储存能力是当今石墨和铜的四倍,但容量往往会迅速下降。

在六月份,韩国科学技术研究所的科学家们使用了一种称为锂预加载的技术来提高电池的寿命,这包括将硅阳极浸入一种特殊的溶液中,使电子和锂离子渗入电极,以弥补循环过程中的损失。

大多数硅基负极在最初的充电循环中锂离子流失超过20%,而这种新阳极在测试过程中流失不到1%。它的能量密度也比市面上的同类产品高出25%。

微波和盐的开发和应用

塑料瓶是一个巨大的废物来源,但科学家们已经发现了一种将其用于下一代电池的方法

另一种具有巨大潜力的电池化学物质是钠离子,但原因截然不同。锂金属比较稀有,开采锂成本高昂,而且对环境有害。而世界上盐的来源广泛,可以有机会转化成成本更低的电池,应用于电网等。在四月份,电池的一个重要部件被发现可以同样从丰富的材料中获得。

Purdue大学的科学家们能够从可回收的PET塑料还原成薄片,然后用超快微波辐射处理,使其变成一种被称为对苯二甲酸二钠的物质,这种有机小分子有着优异的电化学性能,长期以来一直被认为是一种潜在的阳极材料,研究小组称它是钠离子电池组件的一部分。

首席研究员维拉斯·波尔说:“源于社会对气候变化和能源资源限制的关注和日益增强的意识,我们正在解决可再生能源转换和储存激增的问题。”

来自海洋的灵感

在虾壳中发现的几丁质已被用于生产一种可持续的流动电池电极

为可再生能源提供电网规模存储解决方案的另一种替代电池设计是氧化还原液流电池。这些装置不是将能量储存在电池内部,而是将能量储存在巨大的外部槽中的液体电解质中,这意味着通过增大槽的尺寸可以增加储存潜力。

今年6月,麻省理工学院的一个研究小组演示了如何用更可持续的材料制造这些电池的关键构件。几丁质是一种类似纤维素的多糖,存在于虾壳中,研究人员能够将其与毛毡结合使用,为具有更高能量密度的氧化还原液流电池制造电极。

这项研究的资深作者弗朗西斯科·马丁·马丁内斯说:“它的好处不仅在于其良好的性能,而且在于起始材料的低成本,并且考虑了废物的再利用,这使得电极更具有可持续性价值。”

充分利用地心引力

大规模储存可再生能源的另一个解决办法可能在于重力的利用。苏格兰公司Gravitricity正在开发一种新型的储能系统,它由巨大的砝码、强大的绞盘和缆绳组成。能量来自于重物从一根转动绞车并发电的轴上落下。

在短短的15分钟内制造出的能量,可持续输出功率长达8小时,峰值输出之间的1至20兆瓦。这将是一个低成本、可持续的能源解决方案,该公司正在加紧建设一个原型系统,这将在2021年底于爱丁堡完成测试。

利用石墨烯增加硬度

在六月份,另一种固态电池的研发受到高度关注。一般来说,将液体电解质换成固体电解质,以获得更高的能量密度,但这通常就会导致电池的破裂和被腐蚀。

布朗大学的一个研究小组通过研究石墨烯材料来寻求解决此问题的方案,他们将少量石墨烯添加到陶瓷材料中,形成一种新型固体电解质,他们声称这种电解质是迄今为止最坚硬的。这项研究的新奇之处在于石墨烯具有很高的导电性,这对于电解质来说并不是一个好的性能指标,但是他们将石墨烯的浓度保持在足够低的水平,找到了一个阻止石墨烯导电的最佳点,并且仍然能够提供很高的硬度。

世界上最快的电极

电池性能取决于一个离子能够把电荷携带到多远;左边是一个典型的,混乱的电极结构的描述,一个离子必须经过长距离和迂回的距离。右边是垂直排列的碳纳米管结构的刚性结构,它将每一小块活性物质和其中的离子直接连接到集电器

所有的电池都有一对电极,即阴极和阳极,电流通过它们流动,而这些通常都是杂乱无章的结构,离子需要携带电荷在复杂的环境下运动。超级电容器制造商Nawa在10月份推出了自己的电极设计,提供了一种更为快捷的离子传输通道。

这种电极由一个垂直排列的结构组成,类似于梳子的结构,1000亿个高导电性的碳纳米管竖立在螺栓上,并涂上活性材料,如锂离子。这等于为移动的离子创造了一条高速公路,使它们能够以更方便的方式进出电池。

实际上,该公司表示,它的电极可以将电池的充放电效率提高10倍,可实现在5分钟内实现0-80%的充电。与此同时,能量密度可能会跃升两到三倍。

Nawa表示:其生产这些电极的工艺成本低廉,并有信心与现有的电极相比更具有成本竞争力。该公司预计,这项技术将于2022年开始进入市场,到2023年后能开发出更加先进的技术系统。目前,该公司正与多家汽车公司就此展开商谈,在法国已经找到了大客户Saft。

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