“蛋黃殼”創(chuàng)造新的儲(chǔ)能世界紀(jì)錄

    [加入收藏][字號(hào): ] [時(shí)間:2013-01-17  來(lái)源:中國(guó)科學(xué)報(bào)  關(guān)注度:0]
    摘要:   近日,美國(guó)斯坦福直線加速器中心和斯坦福大學(xué)的研究人員研發(fā)出了一個(gè)巧妙的蛋黃殼設(shè)計(jì),使得鋰離子電池的存儲(chǔ)能力比當(dāng)前的商業(yè)技術(shù)高出5倍以上,創(chuàng)造了新的儲(chǔ)能世界紀(jì)錄。這種技術(shù)能讓鋰離子電池的陰極在1000次的循環(huán)充放電后,仍保持較高的性...

      近日,美國(guó)斯坦福直線加速器中心和斯坦福大學(xué)的研究人員研發(fā)出了一個(gè)巧妙的“蛋黃殼”設(shè)計(jì),使得鋰離子電池的存儲(chǔ)能力比當(dāng)前的商業(yè)技術(shù)高出5倍以上,創(chuàng)造了新的儲(chǔ)能世界紀(jì)錄。這種技術(shù)能讓鋰離子電池的陰極在1000次的循環(huán)充放電后,仍保持較高的性能,從而為新一代更輕、更持久電池在便攜式電子產(chǎn)品與電動(dòng)汽車上的應(yīng)用鋪平了道路。

     

      領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的是斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系副教授、斯坦福大學(xué)材料和能源科學(xué)院的成員崔毅,研究小組報(bào)告的結(jié)果發(fā)表在1月8日的《自然通訊》。

     

      鋰離子電池的工作原理是鋰離子在陰極和陽(yáng)極之間的來(lái)回移動(dòng)。充電時(shí)電池強(qiáng)制到達(dá)陽(yáng)極的電子和離子產(chǎn)生能驅(qū)動(dòng)各種設(shè)備的電勢(shì),而電池放電時(shí)離子和電子便移動(dòng)到電池的陰極。

     

      目前鋰離子電池組通常經(jīng)過(guò)500次充放電循環(huán)后,其儲(chǔ)存能量相當(dāng)于初始容量的80%。

     

      近20年間,研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)與鋰離子電池的陰極材料相比,硫可以存儲(chǔ)更多的鋰離子,從而儲(chǔ)存更多的能量。但有兩個(gè)重要因素阻礙了硫的商業(yè)用途:在放電過(guò)程中鋰離子進(jìn)入硫陰極,會(huì)與硫原子結(jié)合產(chǎn)生一種保持陰極重要性能的鋰硫化合物,但是這種化合物會(huì)不斷溶解,限制陰極的能量存儲(chǔ)能力;同時(shí),離子的涌入會(huì)導(dǎo)致硫陰極擴(kuò)大約80%。

     

      當(dāng)科學(xué)家們?cè)噲D用涂層阻止鋰硫化合物溶解時(shí),陰極會(huì)擴(kuò)大并使涂層開(kāi)裂,使這一措施失效。

     

      崔毅的創(chuàng)新是將一個(gè)硫陰極制成納米顆粒,而每個(gè)陰極顆粒直徑只有800納米,大約只相當(dāng)于人頭發(fā)絲百分之一的直徑。在每一個(gè)微小的硫塊周圍圍繞著一圈有著堅(jiān)硬外殼的多孔鈦氧化物——就像蛋黃與蛋殼。原本屬于蛋清的部分,是一個(gè)能夠容納擴(kuò)大后硫體積的空白區(qū)域。

     

      放電時(shí),鋰離子穿過(guò)殼體后被硫綁定,之后會(huì)變大占據(jù)空白區(qū)域,但是不會(huì)有那么多的物質(zhì)“破殼”而出。同時(shí),這個(gè)殼還可以保護(hù)鋰硫化合物不被電解質(zhì)溶劑所溶解。

     

      崔毅說(shuō):“在經(jīng)過(guò)1000次充放電循環(huán)后,硫陰極保留了其能量存儲(chǔ)容量的70%,這是目前所知的世界上性能最高的硫陰極。即使沒(méi)有優(yōu)化設(shè)計(jì),這種陰極循環(huán)壽命的表現(xiàn)已具備商業(yè)性能,這是推動(dòng)未來(lái)可充電電池發(fā)展的重要成就。”



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