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爱体育网页:手机一周一充不再是梦:斯坦福大学「食盐」电池登上 Nature电量达锂电池六倍
来源:爱体育网页官方入口 作者:爱体育网页版 更新于:2021-08-31 09:40:18 阅读: 13

  当时,锂离子电池(Lithium-ion batteries, LIB)广泛运用于从电动轿车到可穿戴设备的各种运用。

  在第二代锂离子电池创造之前,研讨人员在 20 世纪 70 年代开发出了第一代锂 - 亚硫酰氯(lithium-thionyl chloride, Li-SOCl_2)电池,其间运用 SOCl_2 作为阴极电解质,锂金属(lithium metal)作为阳极,无定形碳(amorphous carbon)作为阴极。这种电池经过锂氧化和阴极电解液复原为硫、二氧化硫和氯化锂放电,以其高能量密度而出名。

  在近来的一项研讨中,斯坦福大学团队开发了一种可充电的碱金属 - 氯(alkali metal-chlorine)电池,其可存储的电量是当时市售常见可充电锂离子(lithium-ion)电池的 6 倍。

  该研讨相关论文登上了《Nature》,一起一作是斯坦福大学化学系的博士生 Guanzhou Zhu 和 Xin Tian,通讯作者是斯坦福大学化学系教授戴宏杰(Hongjie Dai)。

  据介绍,这种碱金属 - 氯电池能够加快可充电电池的运用,并让电池研讨人员更进一步挨近完结该范畴的最高方针:开发一种高功能的可充电电池,使得手机能够每周一充而不再每天充电,电池轿车在一次充电时完结当时电动车 6 倍的行进间隔。

  至今还没有人研制出高功能可充电钠 - 氯或锂 - 氯电池的原因是氯的反响性太强,难以高效地转化回氯化物。在少量情况下,研讨者能够完结可在充电性,但结果是电池的功能太差。

  事实上,戴宏杰教授与 Guanzhou Zhu 博士一开始底子没有计划制作可充电的钠和锂 - 氯电池,而仅仅为了运用亚硫酰氯改善现有的电池技能。这种化学物质是锂亚硫酰氯电池的首要成分之一,锂亚硫酰氯电池是 1970 年代初次创造的一种盛行的一次性电池。

  但在他们前期的一项触及氯和氯化钠的实验中,斯坦福大学的研讨者注意到,一种化学物质向另一种化学物质的转化以某种办法安稳下来,然后产生了一些可充电性。戴宏杰教授以为这是不可能的,他们花了至少一年的时刻才意识到这件事的重要性。

  在接下来的几年里,该团队阐明晰可逆化学反响,并经过对电池正极的不同资料进行实验,寻觅进步其功率的办法。当他们运用来自国立中正大学的 Yuan-Yao Li 教授和他的学生 Hung-Chun Tai 所研制的先进多孔碳资料构成电极时,在这一技能的支持下取得了重大突破。碳资料具有纳米球结构,充溢许多超细孔。在实践中,这些空心球就像一块海绵,吸收了许多本来灵敏的氯分子,并将它们储存起来,以便今后在微孔内转化为盐。

  当电池充电时,氯分子被困在碳纳米球的微孔中并遭到维护,Zhu 解说说。然后,当电池需求排空或放电时,咱们能够将电池放电并将氯转化为 NaCl ——食盐的首要成分——能够屡次循环重复这个进程。现在最多能够循环 200 次,但仍有改善的空间。

  其结果是向电池黄铜环规划——高能量密度迈出了一步。到现在为止,研讨者现已完结了每克正极资料 1200 毫安时,而现在商用锂离子电池的容量在每克 200 毫安时。电池容量至少是锂离子电池的 6 倍。

  斯坦福大学的研讨人员没有提及电压。此前宁德年代提出的钠离子电池,其电芯能量密度是 160Wh/kg,电动车常用的磷酸铁锂电池容量在 140Wh/kg 左右。

  研讨者想象他们的电池有一天会用于那些曾经没有用到的当地,例如卫星或长途传感器。许多可用的卫星现在都漂浮在轨道上,因为电池耗尽而无法作业。未来,假如卫星装备了长寿命可充电电池,能够装置太阳能充电器,那么卫星的用处将扩展许多倍。关于消费电子产品或电动轿车来说,在规划电池结构、添加能量密度、扩展电池规划和添加循环次数方面还有许多作业要做。

  本文中研讨者展现了电池的高微孔碳正极,一种开始电解质,由包括氟化物添加剂 SOCl_2 中的氯化铝组成,电池的负极由钠或锂组成。该研讨能够出产可充电的 Na/Cl_2 或 Li/Cl_2 电池,首要经过碳微孔中的 Cl_2/Cl^- 氧化复原和钠或锂金属上的 Na/Na^+ 或 Li/Li^+ 氧化复原生成。微孔碳中可逆的 Cl_2/NaCl 或 Cl_2/LiCl 经过氧化复原在正极侧供给可充电性,薄的碱金属 - 氟化物掺杂的碱金属 - 氯化物固体电解质界面安稳负极,两者对二次碱金属 / Cl_2 电池至关重要。

  下图 1 为无定形纳米球(约 60nm,1a)和初次放电时的高功能氯化钠(Na/Cl_2)电池。

  2009 年被选为美国文理科学院院士,2011 年被选为美国科学促进会会员,2016 年被选为美国国家科学院院士,2020 年 9 月当选 2020 年「引文桂冠奖」。

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