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    美科學家研發新型巖鹽陽極 可使鋰離子電池充電更快更安全

    發布日期:2021-08-05  來源:科創板日報

    核心提示:美科學家研發新型巖鹽陽極 可使鋰離子電池充電更快更安全
    現在,制約電動汽車(EV)普及的一大關鍵因素就是“充電時間”,根據充電方式和剩余電量的不同,電動汽車可能需要幾個小時或一整夜才能充滿電。這迫使司機要么不能遠距離出行,要么需要在長途旅行中及時找到公共充電站并等待較長時間。
     
    為什么電池充滿電需要這么長的時間?主要原因是電池設備及其充電器的設計使得鋰電池只能以較慢的受控速率充電。這是一種安全功能,有助于防止火災甚至爆炸,因為鋰電池內部會出現微小的、堅硬的枝晶結構,當快速充電時會引發電池內部短路。
     
    為了解決對更實用鋰離子電池的需求,來自加州大學圣地亞哥分校(UC San Diego)的研究人員跟橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的科學家合作,對一種新型材料進行中子散射實驗,而這種材料可以用來制造更安全、更快的充電電池。
     
    研究人員制作了鋰釩氧化物(Li3V2O5)的樣品,這是一種類似于食鹽的“無序巖鹽”,但其原子排列具有一定程度的隨機性。樣品被放置在一個強大的中子束中,該中子束能夠在施加電壓后觀察材料內部離子的活動。該研究成果已于近期被發表在了知名科學期刊《自然》(Nature)雜志上。
     
    這項研究的論文第一作者Haodong Liu表示,“兩種最常用的鋰離子電池陽極材料,一是石墨,它可以提供高能量密度,但在某些情況下會引發火災,二是鈦酸鋰,它可以快速充電,不太可能引發火災,但儲能容量較低。”
     
    “我們開發的無序巖鹽材料結合了兩種追求特性——它更安全、充電更快,并且具有更高的能量密度。”他補充說。
     
    據稱,這種材料在諸如電動汽車以及其他電動工具等許多電池應用中表現出了理想的性能,例如能量存儲和放電速度。
     
    在測試中,巖鹽陽極材料能夠在短短20秒內提供超過40%的能量容量??焖俪浞烹娭猿蔀榭赡?,是因為巖鹽材料可以在其晶體結構內的空穴中循環兩個鋰離子。
     
    “ORNL使用的中子衍射技術使我們能夠理解當我們對材料施加電壓時離子的行為,”Liu說:“中子可以很容易地跟蹤巖鹽陽極內的鋰離子和氧原子,使用ORNL散裂中子源(SNS)的VULCAN儀器提供了我們所需的高中子通量和分辨率。”
     
    VULCAN是為中子研究變形、相變、殘余應力、織構和工程材料的微觀結構而設計。裝載框架、熔爐、電池循環器和其他用于現場試驗、穩態或時間解析測量的輔助設備都跟該儀器集成在一起。
     
    “VULCAN是世界上研究工程材料的頂級中子散射儀器,”ORNL的中子散射科學家Ke An說,“它的開放式設計允許測試大樣本,甚至是正常運轉的機械設備,如運行中的內燃機,并觀察它們的內部特性。該儀器為電池材料合成過程中的儲能研究及其在工作電池中的行為提供了重要的科學信息。”
     
    研究人員表示,巖鹽陽極可以循環超過10000次,容量衰減可以忽略不計。這種持久性對于消費者應用程序很重要。加州大學圣地亞哥分校保留了其對數據和實驗過程中產生的任何知識產權的權利。
     
    為了將他們的發現商業化,該大學隨后跟其研究人員合作成立了一家名為Tyfast的公司,該公司計劃首先瞄準電動公交車和電動工具市場。

     
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