新型“开放式”结构锂电池材料使充电速度提高9倍

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对下一代电池的研究涉及到对可能释放出重大性能提升的替代材料的持续试验,而一项新突破提供了一个引人注目的例子,它说明了这可能是什么样子。来自荷兰特文特大学的科学家们近日制造出了一种实验性锂离子电池,它的特点是具有开放和规则晶体结构的新型电极设计,他们称这可以让充电速度达到今天设备的10倍。

我们知道,为今天的电动汽车、智能手机和无数其他设备提供动力的锂离子电池有两个电极,即阴极和阳极,而这项新研究的重点是后者。目前,这些阳极是由石墨制成,这在许多方面都有很好的作用,但它无法适应超快的充电速度而不发生故障。

为此,科学家们正在寻找新的和改进的阳极,其中一个地方是具有纳米级多孔结构的材料。这种性质的阳极有望跟运输锂离子的液体电解质拥有更大的接触面积,并以此同时让离子更容易扩散到固体电极材料中,最终使得设备的充电速度快得多。

但到目前为止提出的材料也存在一些缺点。多孔纳米结构中通道的无序性和随机性会导致这些结构在充电过程中崩溃,同时还会降低电池的密度和容量并且会导致锂在阳极表面堆积,进而在每个循环中降低其性能。此外,这些材料的制造非常复杂,其涉及到苛刻的化学品并会产生大量的化学废物。

特文特大学的科学家们认为,他们已经在一种叫做铌酸镍的材料中找到了合适的替代品。跟以往解决方案的不规则性质不同,铌酸镍具有开放和规则的晶体结构,这些结构则拥有相同的、重复的离子传输通道。

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研究人员将这种铌酸镍阳极集成到一个完整的电池单元中并测试了它的性能,结果发现它提供的超快充电率比今天的锂离子电池快9倍。他们还指出,铌酸镍比石墨更紧凑,因此具有更高的体积能量密度,这可能相当于商业版本的电池更轻、更紧凑。

科学家们还报告称,这种新阳极材料具有很高的容量,约为244 mAh g-1,并且由于铌酸镍在运行过程中体积变化很小,其81%的容量在2万个循环中得以保留。所有这些都是在不损害阳极材料的情况下发生的,而据称铌酸镍的制造过程也比其他纳米结构材料要简单得多且不需要一个洁净室来组装。

根据研究人员的说法了解到,这些结果证明了铌酸镍阳极在实用电池设备中的储能潜力。他们认为,在电网应用中,为需要快速充电的电动机械提供动力或在重型电动汽车运输中都有直接的潜力。不过他们也表示,要看到它们适用于标准电动汽车还需要进一步研究和解决问题。

 
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