科學也可以如此靠近

更安全、更持久, 更綠色, 電池技術即將取得更多突破!

5月
27
2018

2018年5月27日19時 今日科學 貓眼科技

貓眼科技

電池可以被稱作是現代世界的發動機,從智慧型手機到筆記本電腦,怪異的新摩托車到新興的自動卡車車隊。

所以有很多人有興趣推動電池技術向前發展,2017年帶來了一系列令人振奮的突破,旨在使他們更安全,更持久,更快速充電和更具成本效益。這是最好的一堆。

安全第一

雖然鋰離子電池整體上出現問題的可能性非常低,但是由於每天都在使用鋰離子電池,所以在世界某個地方出現問題的可能性是非常現實的。三星手機爆炸事件就證明了這一點。

現在的電池已經安裝了可以跟蹤電壓,溫度和電池電量的晶片,可以提供警告系統,例如手機過熱時在iPhone螢幕上看到的警告系統。但是研究人員總是在尋找方法來保持它們的冷卻,而實現這一目的的一種方法是用不易燃的東西代替可燃電解質,攜帶離子的液體。

早在2015年,馬里蘭大學和美國陸軍研究實驗室的科學家就提出了一種鹽水電解質配方,該配方為從起搏器到大規模電網儲存的所有產品提供了更安全的電池。雖然他們的電池設計的火災風險較小,但最高電壓只有3 V.

今年9月份,研究人員將這個電壓提高到了4V,並且為筆記本電腦等普通應用提供了足夠的電壓。他們通過開發一種新的凝膠聚合物塗層來實現這一點,該塗層可以應用於電池的陽極,並更好地從表面排斥水。該團隊現在專注於將電池可以完成的全部性能周期從100個增加到500個,以使其具有競爭力。

另一種避免火災危險的方法是將阻燃劑整合到電池中,當物品開始升溫時,電池會自動釋放。一個內置的滅火器,如果你願意的話。研究人員多年來一直在研究這個問題,研究使用阻燃材料來製造膜分離器,或者使用陶瓷。但他們的努力傾向於以某種方式損害電池的性能。

今年一月,史丹福大學的科學家們提出了一個更好的方法。他們的設計將一種名為磷酸三苯酯(TPP)的共同阻燃劑包裝到由聚合物微纖維製成的殼中。當汞在160°C(320°F)時遇到這些物質會熔化,並在燃燒前或燃燒初期將阻燃劑釋放到電解質中。

該設計已經在紐扣電池中進行了測試,研究小組發現,當發生燃燒時,TPP能夠快速熄滅火焰。現在正在進行測試,看看它是如何在更大規模的機械壓力下站起來的。

快速充電

如果只要充電6分鐘,可以續航行駛320公里,你會更有可能購買電動車嗎?

允許這種快速充電的電池不僅可以用於電動汽車,還可以用於各種設備,而且可能並不像它們看起來那麼遙遠。

10月份,東芝發布了下一代超級電荷離子電池(SCiB0)。這種使用新型材料的陽極稱為鈦鈮氧化物,它能夠更有效地儲存鋰離子,以至於能量密度增加了一倍。東芝公司計劃在2019年將電池投入實際應用,並表示,如果將其納入電動汽車,將以六分鐘的價格提供約三倍的電流範圍。

東芝不是唯一在快速充電領域引起轟動的電子巨頭。去年11月,三星高級技術學院的研究人員報告了他們所說的石墨烯球。通過使用這些爆米花般的奇蹟物質團塊作為陽極,以及用於陰極的保護層,在鋰離子電池中,團隊能夠控制令人討厭的副反應並創建更多的導電通路。

研究人員說,如果這些石墨球被加工成全尺寸的鋰電池,他們可以將智慧型手機的充電時間從一個多小時縮短到12分鐘。而且,他們還可以將電池容量提高45%,並保持穩定的工作溫度,這是電動汽車的一個便利屬性。

容量

高容量的鋰離子電池在我們日常生活中占據了領先地位,但延長鋰電池充電量依然是全球科學家研究的另一個重點。

對於萊斯大學的研究人員來說,這意味著調整稱為樹突的收費過程的副產品。這些微小的鋰纖維堆積在陽極上,像皮疹一樣蔓延,阻礙了電池性能,最終導致短路。

該團隊建立了一個電池原型,使用與碳納米管結合的金屬生長的二維石墨烯片作為陽極。這種三維納米管森林具有密度小,表面積大的特點,在充放電循環過程中為粒子的進出提供了充足的空間,完全防止了樹枝狀晶體的生長。

在測試中,該團隊發現其陽極材料的鋰儲存能力為每克3,351毫安小時,接近純鋰的理論最大值3860毫安小時/克,是標準鋰離子電池的10倍。

而石墨烯是另一個可能的電池取得突破口。

這種材料的能量傳導能力已經被充分發掘出來,並且促成了無數關於它的研究項目,但在11月份,阿肯色大學的科學家發現它實際上可以產生電力。

這個團隊想出了一種方法,利用他們所謂的石墨烯漣漪產生的微小能量。這是石墨烯片上的碳原子隨著環境溫度的升高而下降,如同海洋中的波浪一樣。

使用一種名為「振動能量收集器」的設備,該團隊能夠利用足夠強大的交流電給手錶供電。

從理論上講,這項技術從來不需要充電,也不會耗盡,研究人員正在繼續他們的實驗。

說到容量,我們不得不提到上個月南澳大利亞開啟了世界上最大的鋰離子電池。由特斯拉提供,僅需100天即可安裝,129兆瓦的Powerpack旨在解決該州最近的一些能源問題,並為超過30,000個家庭提供按需供電。

走向綠色

今年,我們看到了一些進步,不僅有望提高電池的容量,而且對環境友好。

日本東北大學和大阪大學的研究人員利用電子製造的大副產品 - 從大片材切割矽時產生的矽鋸末。將這種鋸末粉碎成多孔納米薄片並用碳包覆,團隊能夠製造出一種新型的電池陽極。

由此產生的鋰離子電池不僅具有再循環材料,而且在800次循環中也達到1200mAh / g(毫安小時/克)的恆定容量。該團隊聲稱這是傳統石墨陽極的3.3倍。

加利福尼亞大學裡弗賽德分校的研究人員在4月份推出了另一種用於高級電池的再生材料。科學家們收集廢棄的玻璃瓶,將它們粉碎成粉末,然後將其中的二氧化矽還原成納米顆粒,然後將它們塗覆在碳中。

作為電池陽極的矽具有比典型的石墨陽極多儲存多達10倍的能量的潛力,並且通過採取這種方法,該團隊能夠生產紐扣電池,其顯示約1420mAh / g(毫安小時每克),對典型的350mAh / g石墨陽極容量有顯著的改善。該團隊已經為其環保,低成本的技術申請了專利。

儘可能使用廣泛的材料是有意義的。八月份,雪梨大學的科學家揭示了一種鋅 - 空氣電池,正是這樣做的,同時克服了困擾這種設備的一些問題。

雪梨的研究團隊提出了一種低成本的替代方案,用催化劑替代鐵,鈷和鎳等常見元素。其結果是一個鋅空氣電池,可以更容易地充電,並在測試中,經過60小時的放電和充電周期損失不到10%的效率。

期待

更好的電池是智慧型手機的關鍵,能讓我們連接更長的時間,駕駛更遠的汽車,捕捉更多照片的相機。。。


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