美國(guó)高校相互合作 利用不易燃電解質(zhì)制成高效率電池2021-06-05 08:21
據(jù)外媒報(bào)道，美國(guó)佛羅里達(dá)州立大學(xué)（FloridaStateUniversity）和康奈爾大學(xué)（CornellUniversityresearch）研究小組發(fā)現(xiàn)，用廉價(jià)而安全的組件可以制成電池，而且與現(xiàn)在最先進(jìn)的鋰離子電池相比，此類(lèi)電池的效率要高出2至3倍。
FAMU-FSU工程學(xué)院博士后研究院A.Nijamudheen與康奈爾大學(xué)博士生SnehashisChoudhury，以及兩所大學(xué)的其他教職人員一起，開(kāi)啟了一項(xiàng)調(diào)查，研究目前的電池設(shè)計(jì)存在什么缺陷，以及如何改進(jìn)。Choudhury表示：“看到電池成本隨時(shí)間上漲的現(xiàn)象并不奇怪，廣泛采用電池的技術(shù)要降低成本。”
為降低成本，研究人員解決了幾個(gè)與電解質(zhì)相關(guān)的具體問(wèn)題，電解質(zhì)是電池結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分，可以促進(jìn)離子從一個(gè)電極移動(dòng)至另一個(gè)電極。研究小組了解了電解質(zhì)在電池電極上降解的化學(xué)過(guò)程，研究人員不僅發(fā)現(xiàn)了電解質(zhì)降解的機(jī)制，還發(fā)現(xiàn)了多種解決方法。Nijamudheen表示：“我們發(fā)現(xiàn)，控制在負(fù)極上形成的界面（SEI）的離子特性是關(guān)鍵。”
研究人員通過(guò)量子計(jì)算發(fā)現(xiàn)，電池降解的源頭在于電解質(zhì)中一種叫做二甘醇的成分發(fā)生聚合的方式。聚合是一種分子以化學(xué)方式結(jié)合，出現(xiàn)一種叫做聚合物的長(zhǎng)鏈狀分子的過(guò)程。就電池而言，電解質(zhì)在與電池的正負(fù)極接觸時(shí)間長(zhǎng)了之后，常常會(huì)分裂并重新成為更大的分子。研究人員表示：“雖然降解過(guò)程本身無(wú)害，但是降解出現(xiàn)的物質(zhì)會(huì)阻止離子進(jìn)入電池電極，隨著時(shí)間推移，就會(huì)減少電池所能存儲(chǔ)的能量。”但是，盡管降解過(guò)程出現(xiàn)的某些聚合物會(huì)阻止離子達(dá)到電極，但是已有證據(jù)證明，其他種類(lèi)的聚合物能夠有效延長(zhǎng)電池壽命。在進(jìn)行聚合計(jì)算之后，研究人員開(kāi)始研究聚合過(guò)程中，不會(huì)影響電池性能的其他類(lèi)型的電解質(zhì)。
一般來(lái)說(shuō)，鋰離子電池由有機(jī)碳酸鹽電解質(zhì)制成，但是此類(lèi)電解質(zhì)高度易燃，所以為防止電池?zé)崾Э睾突馂?zāi)風(fēng)險(xiǎn)，還要供應(yīng)昂貴的、冷卻熱調(diào)節(jié)部件。因此，研究人員測(cè)試了一種不易燃的穩(wěn)定電解質(zhì)–鋰硝酸鹽電解質(zhì)。
利用該電解質(zhì)，研究人開(kāi)始在固態(tài)電解質(zhì)SEI膜上進(jìn)行試驗(yàn)。SEI膜是由于電解質(zhì)分解而形成的一層保護(hù)層，通常在電池首次循環(huán)時(shí)出現(xiàn)。
研究人員利用犧牲鹽或通過(guò)電解質(zhì)引入的新分子，在電池中自然形成了一種新型SEI膜，此外，研究人還引入了鏈轉(zhuǎn)移劑（一串分子），與二甘醇相互用途，形成屏蔽層，保護(hù)帶負(fù)電荷的電極不再降解。
為評(píng)估該設(shè)計(jì)的有效性，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)電池的使用能力進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，然后再給電池充電。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此種電池可以循環(huán)大約2000次，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋰離子電池的300至500次。
FAMU-FSU工程學(xué)院博士后研究院A.Nijamudheen與康奈爾大學(xué)博士生SnehashisChoudhury，以及兩所大學(xué)的其他教職人員一起，開(kāi)啟了一項(xiàng)調(diào)查，研究目前的電池設(shè)計(jì)存在什么缺陷，以及如何改進(jìn)。Choudhury表示：“看到電池成本隨時(shí)間上漲的現(xiàn)象并不奇怪，廣泛采用電池的技術(shù)要降低成本。”
為降低成本，研究人員解決了幾個(gè)與電解質(zhì)相關(guān)的具體問(wèn)題，電解質(zhì)是電池結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分，可以促進(jìn)離子從一個(gè)電極移動(dòng)至另一個(gè)電極。研究小組了解了電解質(zhì)在電池電極上降解的化學(xué)過(guò)程，研究人員不僅發(fā)現(xiàn)了電解質(zhì)降解的機(jī)制，還發(fā)現(xiàn)了多種解決方法。Nijamudheen表示：“我們發(fā)現(xiàn)，控制在負(fù)極上形成的界面（SEI）的離子特性是關(guān)鍵。”
研究人員通過(guò)量子計(jì)算發(fā)現(xiàn)，電池降解的源頭在于電解質(zhì)中一種叫做二甘醇的成分發(fā)生聚合的方式。聚合是一種分子以化學(xué)方式結(jié)合，出現(xiàn)一種叫做聚合物的長(zhǎng)鏈狀分子的過(guò)程。就電池而言，電解質(zhì)在與電池的正負(fù)極接觸時(shí)間長(zhǎng)了之后，常常會(huì)分裂并重新成為更大的分子。研究人員表示：“雖然降解過(guò)程本身無(wú)害，但是降解出現(xiàn)的物質(zhì)會(huì)阻止離子進(jìn)入電池電極，隨著時(shí)間推移，就會(huì)減少電池所能存儲(chǔ)的能量。”但是，盡管降解過(guò)程出現(xiàn)的某些聚合物會(huì)阻止離子達(dá)到電極，但是已有證據(jù)證明，其他種類(lèi)的聚合物能夠有效延長(zhǎng)電池壽命。在進(jìn)行聚合計(jì)算之后，研究人員開(kāi)始研究聚合過(guò)程中，不會(huì)影響電池性能的其他類(lèi)型的電解質(zhì)。
一般來(lái)說(shuō)，鋰離子電池由有機(jī)碳酸鹽電解質(zhì)制成，但是此類(lèi)電解質(zhì)高度易燃，所以為防止電池?zé)崾Э睾突馂?zāi)風(fēng)險(xiǎn)，還要供應(yīng)昂貴的、冷卻熱調(diào)節(jié)部件。因此，研究人員測(cè)試了一種不易燃的穩(wěn)定電解質(zhì)–鋰硝酸鹽電解質(zhì)。
利用該電解質(zhì)，研究人開(kāi)始在固態(tài)電解質(zhì)SEI膜上進(jìn)行試驗(yàn)。SEI膜是由于電解質(zhì)分解而形成的一層保護(hù)層，通常在電池首次循環(huán)時(shí)出現(xiàn)。
研究人員利用犧牲鹽或通過(guò)電解質(zhì)引入的新分子，在電池中自然形成了一種新型SEI膜，此外，研究人還引入了鏈轉(zhuǎn)移劑（一串分子），與二甘醇相互用途，形成屏蔽層，保護(hù)帶負(fù)電荷的電極不再降解。
為評(píng)估該設(shè)計(jì)的有效性，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)電池的使用能力進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，然后再給電池充電。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此種電池可以循環(huán)大約2000次，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋰離子電池的300至500次。
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