美加强锂离子电池纳米导线强度 使用寿命延长40倍!
2016-04-22 10:14:00   来源:环球网
内容摘要
锂离子电池的最大缺陷是使用寿命短。美国加州大学和马里兰大学研究人员设计出纳米锂离子电池,其突破之处在于纳米导线的强度。尽管大多数锂离子电池中导线的使用寿命是5000-7000个充电周期,加州大学研究团队的纳米导线使用寿命达到20万个充电周期。

去10多年,电池技术没有重大进展,原因是锂离子电池密度受到使用的化学元素活泼性的限制。这一局限促使业界试验了许多其他元素,例如钙,但这些技术还需要数年时间才能实现商业化。幸运的是,美国大学的新研究能弥补锂离子电池最大的缺陷:使用寿命短。

加州大学和马里兰大学研究人员设计的电池,包含有能存储和传输电子的细纳米导线,这本身没有什么新奇之处,其突破之处在于纳米导线的强度。尽管大多数锂离子电池中导线的使用寿命是5000-7000个充电周期,加州大学研究团队的纳米导线使用寿命达到20万个充电周期。

加州大学在读博士生、项目负责人Mya Le Thai表示,导线使用寿命延长的关键在于使用了涂料,其强度会大大提高。她认为,新型锂离子电池具有巨大的市场潜力,“研究表明基于纳米导线的电池电极使用寿命相当长,我们可以制造这种电池”。

目前,新型锂离子电池的商业可行性还不得而知。如果进一步的测试和研究获得成功,下一代锂离子电池使用寿命可能远超使用它们的设备。

 

【新型纳米粒子可以提高锂离子电池容量】

目前移动设备分辨率越来越高,而移动设备的电池技术却没有同步进化,导致电池续航能力越来越差。消费者希望产品提升的1个重要方面就是电池的使用寿命。现在被称为“蛋黄和蛋壳”的新型纳米粒子,可能让锂离子电池迎来新时代。目前做出更好电池的挑战是让电极能够更好地通过充电和放电周期。这些充电/放电周期可能会导致锂电池电极表面脱落和变形,进而让锂电池寿命衰减。

来自麻省理工学院和清华大学的研究人员已经找到一种新方法,以防止锂的不可逆损失,同时提升电池容量和功率。研究人员采用纳米粒子创建了电极,并且具有坚实外壳。

外壳内坚固的“蛋黄”可以反复改变大小,而不会影响外壳。研究小组说,这可能意味着电池重大改进。这种电池负极主要采用金属铝,外壳是由二氧化钛制成。蛋黄材料从壳中分离,空隙允许其扩张和收缩,而不会影响外壳。

这种新型电池使用的材料廉价,并且这种电池容易扩展。有迹象表明,这种新型电池已经接近投入商业实用当中。

 

【斯坦福大学发明不会起火的新型纳米粒子电池】

斯坦福的研究人员利用覆盖有石墨烯的镍纳米粒子制造了一种锂离子电池,这种电池会在过热时自动关闭,并在温度下降后快速重启。

“悬浮滑板”是一种有趣的自平衡滑板车,却会在使用中起火。有些大学和航空公司因此禁止使用或携带它们。至于起火的罪魁祸首?那就是锂离子电池。

这类电池用途广泛,尤其是消费类电子产品,还曾导致电动汽车和运输机起火。由于锂离子电池存在过热的风险,美国政府已经大量召回了这类电池,它们被应用于相机、笔记本电脑、平板电脑、电动工具甚至是冬装之中。

如今,斯坦福大学的研究人员或许有了解决方案。他们在本周一出版的《自然?能量》期刊上表示,已经首次发明出一种会在过热前自动关闭并在温度下降后迅速重启的锂离子电池。

“大规模生产的可能性非常之高,”合著者化学工程教授鲍哲楠指出,这种电池的大部分材料都是便宜的塑料和镍。她表示,电池重启后不会降低效率。

全球各地的研究人员都在竞相研发更优秀更便宜的电池,因为其市场需求正在增长。由于新的联合国气候协议敦促各国改变对化石能源的依赖,更多通过电池驱动的电动汽车正在进入市场,还有更多的太阳能和风能发电设施需要电池来储存电力以备天气不好的日子所需。

因此,科学家们提出了各种各样的点子。例如同样是在本周一,一个来自劳伦斯伯克利国家实验室的团队宣称,他们正在研究用新的方法来制造电池阴极以提升性能,阴极是电池的关键组成部分。

由于安全问题萦绕已久,有些研究旨在降低电池起火的风险。2015年,一个哈佛大学团队首次发明了一种不易燃的流体电池,这种电池能在外部储液罐中储存电网级别的电能。麻省理工学院的研究人员发表论文称,用固体替代液体来作电解液(另一种电池关键组成部分)可以提高锂离子电池的安全性。

其他人则在考虑将阻燃剂添加进电解液中,携带带电粒子的电解液位于电池两极之间。2015年,斯坦福工程师崔屹制造出一种“智能”电池,能在变得太热之前预警。

斯坦福的研究人员将镍纳米粒子嵌入聚乙烯薄膜,并在突起部分覆盖石墨烯,从而制造出这种新电池。

“不幸的是,这些技术是不可逆转的,因此电池在过热后将失效,”崔屹在宣布这次最新研究时说道,他也是该论文的合著者。

为了解决这个重大问题,他和同事将目光转向纳米技术。鲍哲楠最近发明了一种用于监测人体体温的可穿戴式传感器,这让崔屹大受启发。传感器用嵌入了镍微粒的塑性材料制成,这些微粒会突出表面。

在研发电池的过程中,斯坦福研究团队将突出的镍微粒嵌入弹性聚乙烯薄膜,并覆以原子般厚度的石墨烯。这些微粒必须彼此接触才能导电,然而随着温度升高,聚乙烯薄膜会伸展并导致镍微粒分散开来,从而无法再导电。当温度降下来之后,塑料收缩,微粒重新接触。

“我们的设计提供了一种可靠、快速且可逆的策略,能够同时提高电池的性能和安全性,”论文中说道。

美国阿贡国家实验室能源储存联合研究中心主任George Crabtree表示,这项研究“意义重大”:“锂离子电池的安全性是电动交通和电网的当务之急,哪怕是概率很小的失控起火都会造成重大影响。”

 

Crabtree表示,尽管斯坦福团队的“新奇概念令人印象深刻并且颇有前途”,但仍需在更大型的电池系统上经过大量充放电周期的测试才能确保不会发生意外问题。他补充道:“锂离子电池因为没有料到的组件副反应而名声不佳,而嵌有石墨烯涂层镍微粒的聚乙烯薄膜就是一种全新的电池组件。”

每年都有不计其数的锂离子电池被制造出来,其中只有极少数会导致融化、起火或爆炸。但这其中一部分与重大事故有关。最近大受欢迎的“悬浮滑板”就因为点燃了数座房屋而受到指责,路易斯安那州甚至有一座房子因此被彻底烧毁。

尽管更安全的电池即将出炉,但企业家们可不会枯坐干等。他们正在采用其他措施来避免电池起火。在少数特斯拉电动汽车的电池因为碰撞而损毁,并导致车辆起火后,公司联合创始人埃隆?马斯克宣布,将会为Model S系列增加钛合金底盘。

 

【加拿大研发出高能量、长寿命的石墨烯硅基锂电池】

近日,加拿大滑铁卢大学应用纳米材料与清洁能源实验室陈忠伟教授的科研团队协同WATTECH POWER INC.(加拿大滑铁卢大学科技公司)成功开发了一种石墨烯硅基锂离子电池技术,这项技术采用55%以上的硅材料作为负极活性材料,硫掺杂的石墨烯以及聚丙烯腈作为辅助,通过简单的高温处理,实现电极微观结构的构筑成型,其内部各材料间的相互协同效应解决了硅材料的体积膨胀,电导率低等问题,所测试的电化学性能与目前商业化电池相比,比容量提高了6-7倍,循环寿命达到2200次以上。

日前,此项研究成果已经在顶级科学期刊《自然通讯》上发表。在文中,对硅基电极微观结构的构筑成型以及其内部的协同效应如何发挥作用,作了详细地阐释。

由硅纳米颗粒、硫掺杂的石墨烯以及聚丙烯腈混合材料涂覆后的负极极片经高温处理后,硅会与周围硫化石墨烯中的硫以共价键的相互作用被相对固定到一个位置,而聚丙烯腈将会进行环化反应形成一个含氮的稳定六圆环结构的石墨化碳。如此,通过热处理,一个稳定的原子尺度的结构构筑成型;其中,一方面,硅通过共价作用被以石墨烯纳米片层所组成的支架所保护,另一方面,石墨化的聚丙烯腈形成的网络结构,进一步加强了对硅稳定的防护。同时,由于有石墨烯和石墨化碳的存在,这种稳定的三维结构体也显示绝佳的导电性。以上结构的形成,在论文中结合一系列的实验表征手段得到了详细地论证,例如,用密度泛函计算了硅与硫化石墨烯的结合力;用x射线光电子能谱确认了结构体的元素分布和组成等。

正是由于这种电极微观结构的构筑成型,使得电极在充放电过程中硅的体积膨胀能够被固定到一定的空间范围之内,电极结构不会被破坏,确保了电极能够到达2000次的循环寿命;另外,此结构体高的电子和锂离子传导性也保证了硅材料容量的正常发挥,即在0.1A g-1电流循环100次,整体电极的平均容量达到2750mAh/g-1;在更高倍率2 A g-1循环2275次,容量依然能够保持在1000mAh/g-1以上。

此项技术对电极使用了简单的热处理,这一创新解决了长久以来困扰锂电材料领域的由于硅材料体积胀缩导致其无法应用的全球性技术难题,因此此项技术一经推出,便获得2015年度RD100提名大奖,获得业界人士认可,拥有高能量长寿命的真正的硅基锂离子电池指日可待。可喜的是,这次重大的科学突破工艺操作上简单易行,而且在成本上,由于硅高比容量,是目前商业化石墨电极实际比容量的3-7倍,据此,相同容量的硅基锂离子电池中硅的用量约是传统锂离子电池中石墨用量的1/7-1/3,而且随着太阳能电池产业的发展,硅材料产能水平的提升,这使得整体硅基电池的成本与目前商业化锂离子电池基本持平甚至还要低于。

根据现行研发进度,此硅基锂离子电池能够满足商业化的能量型锂离子电池的需求,如消费类电子产品手机笔记本以及可穿戴电子设备等。此类产品要求电池具有高的能量密度,和较稳定的循环寿命。另外,根据目前测试,更高倍率的充放电,如2C,将不会对硅基材料以及整个电极的结构造成破坏。这样,此硅基锂离子电池在要求高倍率充放电的领域(如电动汽车,电动工具等)的应用也即将实现。

 

目前,陈忠伟教授与WATTECH POWER INC.(滑铁卢大学科技公司)共同携手开发此技术,即将进入中试阶段,据其保守估计,此硅基锂离子电池将于2016年下半年进入市场。

陈忠伟博士现为加拿大国家首席科学家,Waterloo大学化学工程学院教授,纳米技术研究生主任,纳米应用材料与新能源中心主任。2008年毕业于美国加州大学滨河分校化学与环境工程获博士学位,并获加州大学校长博士论文奖学金在美国Los Alamos国家实验室从事燃料电池研究工作。现致力于固体高分子膜燃料电池、锌-空电池,锌-锂液流电池和锂离子电池的先进纳米电极材料的研究开发,其研究领域包括非贵金属催化剂、碳纳米管、石墨烯、金属纳米管、纳米线以及复合膜等。目前以发表同行评审论文130多篇包括Nature Communications,Journal of the American Chemical Society,Angewandte Chemie,Advanced Materials,Energy & Environmental Science,被引用10,000多次,H因子43。荣获2011年滑铁卢大学最佳工程研究优秀奖,2012年安大略省政府颁发的早期研究员称号,2014年加拿大科学和工程基金委Discovery Accelerator Supplement Award,2014年获加拿大国家首席科学家,2015陈忠伟教授的项目“Advanced Si Electrodes for Next Generation High-Energy Lithium-Ion Batteries”入围全球百大科技奖名单。

陈忠伟教授实验室主要从事新型、高效、低成本纳米材料,燃料电池、锌-空电池和锂离子电池纳米材料技术的研发。到目前为止陈忠伟教授共领导获得超过一千万美元的科研资助包括美国能源部(DOE-Energy Efficiency and Renewable Energy)资助的燃料电池和电池项目。同时期课题组还和美国阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)、加拿大国家研究院燃料电池创新研究所(NRC Institute for Fuel Cell Innovation)、美国通用汽车(GM)和加拿大巴拉得动力公司(Ballard Power System Inc.)建立了非常有效的长期的合作关系。(如需转载,请注明来源自科技世界网)

 

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