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技术交流 李阳 2017-06-12 15:44
中国电工网讯:
    编者按
 
    电池技术进步的齿轮也一直高速运转着:固态电池、锂空气电池、硅碳负极、硅烯负极、高镍三元材料、富锂锰基材料……关于电池的研究与尝试从未停止。
 
    “大胆猜想,小心验证”一直都是科技研究的神圣法则,也正是这种创造性极大丰富着我们生活。而目前新能源汽车的极速发展,对动力电池技术质变的需求越发紧迫。
 
    而事实上,电池技术进步的齿轮也一直高速运转着:固态电池、锂空气电池、硅碳负极、硅烯负极、高镍三元材料、富锂锰基材料……关于电池的研究与尝试从未停止。
 
    值得一提的是,除了上述的主流电池技术方向以外,还有很多离产业化非常遥远的“偏门”技术。这些偏门技术,乍一看不知所谓,或许还有不少人对此嗤之以鼻。但正是这种创造性让人对未来怀有希望,指不定某条不被理解的路改变了世界。
 
    在笔者看来,这些看似奇葩的电池研究,不仅仅是一场闹剧。能成为研究方向必有其可取之处,即便最终不能为产业所用,但他山之石可以攻玉,总有些闪光点能成为后续电池研究的基石。为此笔者整理了一些看似和电池八竿子打不着的元素,却是不折不扣的电池技术。
 
    1、棉花
 
    小小的棉花短绒,居然可以成为制造电池的原料,还能吸附化学试剂。最近,中国科学院新疆理化所资源化学研究室研究员张亚刚带领的研究团队就以棉花短绒为原料,设计开发了新型碳纤维和功能型氮掺杂多孔碳材料。
 
    传统的碳材料制备方法需要消耗大量的化石能源,还伴随着环境问题。最近,团队又以棉花短绒为原料,经纤维素氨基甲酸酯、溶液配制,碳化、活化等步骤制备出氮掺杂多孔碳材料。同时,系统地考察了不同的碳化温度对试样得率、元素组成、形貌、孔结构的影响。
 
    这种材料孔隙结构可调,具有超高的比表面积。经过实验,以氮掺杂多孔碳材料制备的超级电容器在循环5000次后,比电容容量仍可保持初始容量的93%—95%,具有很强的稳定性。通过在不同电解液中实验,它还同时具备优异的倍率特性。此外,氮掺杂多孔碳还具有优异的染料吸附性能。
 
    据了解,上述研究成果已申报国家发明专利,并于近期发表在国际刊物《材料化学杂志A》上。业内认为,这种以植物为原料的新型碳材料在污水处理和超级电容器领域有着优异表现,在能源和环境领域应用前景广阔。
 
    2、木头
 
    马里兰大学的科学家提出,放弃使用金属块储存锂离子的传统做法,转而使用木材中运输水与养分的天然管道来容纳锂离子。这样一来,木材就会成为金属离子的“居所”。由于结构固定,无论离子数量如何变化,木材都不会坍塌或受到损坏。
 
    为了在充电时,保证高电流密度不会使锂离子堵塞在“居所”门外,科学家增加了木材内部的通道入口。这种改造使得每个入口的离子数量都不多,局部电流密度很小,电池不会产生发热发烫现象,也就避免了爆炸。此外,由于木材的内部结构更大,同样体积条件下,能够比金属块容纳更多电量。
 
    研究者表示,目前使用木材之类的天然材料改进锂电池构造还只是研究的一部分。正是天然生物结构为科研带来灵感,人们才能想到用可再生材料去创造存储能量的新方式。
 
    3、叶子
 
    国际科学家团队们最新发现了一种能延长电池寿命的方法。该方法的灵感来源于植物中最常见的结构——叶脉。为了设计这种生物风格的材料,来自中国,英国,美国和比利时的科学家组成的国际团队根据默里定律(Murray's Law)原理,制作了一种多孔的材料,这种材料高度模仿植物叶片中的叶脉。
 
    再利用基于蒸发的方法将氧化锌纳米颗粒排列成具有各种尺寸孔隙的网络,在外形表现上就跟叶片中的叶脉一样,能最大限度地提高电极的转移量,同时还能最小化必要的能量输出。叶状结构可以改善从可充电电池到高性能气体传感器的性能,在锂电池中使用该结构设计,优化充放电过程,减轻电池电极内的应力,从而延长其使用寿命。
 
    不过这种电池同样面临着一个问题:如何运用在实际产品之中。该技术还需要一个能大量生产纳米颗粒网络的方法支撑。但是我们相信,如果这款电池技术能真正运用得上,至少对于我们的手机电池优化是非常有帮助的。
 
    4、陶瓷
 
    来自西班牙卡洛斯三世大学(UC3M)和科研理事会的研究人员已经获得了制备新型锂离子电池陶瓷电极的专利方法,比传统电池更有效率,而且更便宜,更耐用,也更安全。
 
    这是一种通过热塑性挤压模具制造陶瓷片的方法。Várez表示:“这种技术可以制造扁平状或管状电极,而这些电极可用于任何类型的锂离子电池。”此外,由于生产成本相对较低,很容易适应当前的生产过程,所以很快将实现下一步的工业化应用。
 
    这些陶瓷电极仅由活性材料组成,这样一来就降低了在高温(高于100℃)下降解和着火的风险。
 
    根据研究人员进行的测试表明,集成了这些新电极的电池的另一个优点是它们的效率。测试结果显示,配备这种电极的电池的容量几乎是具有相同密度的商业电极电池的几倍。而且由于这种技术允许制造高密度电极(在450和1000微米之间),存储容量也是当前技术容量的十倍以上。
 
    5、三明治
 
    最近,CuiYi课题组通过制备纳米二氧化硅三明治隔膜的方法来延长锂金属电池的寿命。相比于传统的三明治隔膜,该隔膜的特点在于:
 
    (1)纳米二氧化硅作为中间夹层,可防止副反应发生;
 
    (2)纳米二氧化硅颗粒的堆积可为锂离子和电解液的透过提供足够的空间;
 
    (3)二氧化硅为绝缘材料,只有在锂金属刺入隔膜时才可发生反应,防止枝晶进一步生长。
 
    该研究通过设计纳米二氧化硅三明治隔膜,在枝晶刺入隔膜时有效减缓枝晶的进一步生长,提高锂金属电池的安全性,对锂金属电池的设计有指导意义。
 
    6、玻璃瓶
 
    加州大学河滨分校(UCRiverside)的一支团队现在证明——将废旧玻璃瓶作为材料来源,对环境可以更加友好。
 
    研究人员们将玻璃瓶从垃圾填埋场解救了出来。首先将玻璃瓶粉碎成良好的白色粉末,然后在热镁的加持下,将二氧化硅进一步细化到纳米级别。最终,这些纳米粒子被碳所包覆,不仅性质更加稳定、储能量也有所提升。
 
    在对采用这种阳极材料制造的纽扣电池进行的400+次循环测试中,其储能量在1420mAh/g左右,较常规石墨阳极电池(约350mAh/g)有大幅提升。
 
    研究首席作者ChanglingLi表示:“我们从垃圾填埋场找寻这种废弃物开始,一手将它打造成了储能量更高、充电速度更快、性状更稳定的商用纽扣电池,其在未来十年的前景非常光明”。
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