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可延長手機續航時間的納米鋰電池

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年03月01日  

移動設備中鋰離子電池的續航時間受限于“離子”,只能安全地使用以“離子”狀態存在的鋰元素,浪費了大量潛在能源。


斯坦福大學的研究人員已經開發出一種新型的鋰電池,續航時間要長得多。通過利用采用納米工藝制成的碳罩約束住不穩定的化學物質,新型電池能更高效地利用電池陽極的鋰元素;如果這些化學物質不受約束,鋰離子電池的續航時間會迅速縮短。


領導這項研究的斯坦福大學材料科與工程學院教授崔毅(音譯)說,在所有能用來制造電池陽極的材料中,鋰最有潛力,它非常輕又具有非常高的能量密度,有望讓質量輕、體積小的電池具備更大的容量。但制造鋰陽極卻是一件非常困難的事情,以至于不少科學家在堅持多年后不得不放棄。


目前,制造鋰陽極至少需要面臨兩個挑戰:一是鋰在充電時出現的膨脹現象。在充電時,鋰離子會聚集起來發生膨脹。所有的陽極材料,包括石墨和硅在內都會發生膨脹,但不會像鋰這么明顯。相對于其他材料,鋰的膨脹“幾乎是無限”的。非但如此,這種膨脹還是不均勻的,會造成凹坑和裂縫。這些裂縫會使寶貴的鋰離子從中逸出,形成毛發或苔蘚狀生長。這會導致電池短路,嚴重縮短其使用壽命。


二是鋰陽極在與電解質接觸后具有很高的活性。這會消耗電解質并縮短電池壽命。由此產生的一個附加問題是,當它們接觸時還會發熱。而過熱就會出現燃燒甚至爆炸,因此,這是一個嚴重的安全問題。


“雖然如此困難,我們還是找到解決問題的辦法。”正在崔毅實驗室工作的鄭廣元(音譯)博士說,他是論文的第一作者。物理學家組織網7月28日報道稱,為了解決這些問題,研究人員用碳為鋰陽極制造了一個名為“納米球”的納米保護層。這些納米球保護層從外形上看起來很像蜂窩,可彎曲且化學性質穩定,單個厚度只有20納米。


崔毅說,這種納米球由無形碳制成,不但具有很好的化學穩定性,還有很好的強度和柔性。既能防止其中的鋰與電解質接觸還具備一定的機械強度,能夠承受鋰陽極在充電過程中出現的膨脹現象。


在技術方面,納米球能大幅提高電池的庫侖效率(也叫充放電效率),即在一定的充放電條件下,放電時釋放出來的電荷與充電時充入的電荷百分比。一般情況下,為了達到日常使用需要,電池應能達到99.9%以上的充放電效率。


實驗顯示,未受保護的鋰陽極可以達到96%的充放電效率,在100次充放電循環后,只能達到50%,顯然是不夠的。而斯坦福團隊的新型鋰電極在充放電150次后,充放電效率還能保持在99%。對電池充放電效率而言99%與96%之間的差異是巨大的。


崔毅說:“雖然目前還沒有達到99.9%的目標,但我們正在慢慢接近,并且與先前的技術相比,新設計已經實現了巨大的跨越。隨著研究的進一步深入和新型電解質的采用,我們相信成功就在眼前。”

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