谈到电池,就能量密度和便利性而言,锂离子是我们拥有的最好的电池。


目前来说。


圣路易斯华盛顿大学麦凯尔维工程学院能源、环境和化学工程系助理教授白鹏的实验室已经开发出一种稳定的钠离子电池,这种电池效率高,制造成本低,而且由于取消了一个曾经必要的功能,体积明显小于传统的锂离子电池。


研究人员开发出一种稳定、高效、无阳极的钠电池


"我们已经发现,最小的就是最大的,"Bai说。"没有阳极就是最好的阳极"。


这项研究于2021年5月3日发表在《先进科学》杂志上。


传统的锂离子电池包括一个阴极和阳极,两者都储存锂离子;一个分离器,使电极分离在两侧;以及一个电解质--离子移动所通过的液体。当锂从阳极流向阴极时,自由电子通过集电体离开,到达被供电的设备,同时锂通过分离器到达阴极。


为了充电,这个过程是相反的,锂从阴极通过分离器流向阳极。


用钠代替锂并取消阳极的概念并不新鲜。


"我们使用了旧的化学,"Bai说。"但问题是,对于这种众所周知的化学,从来没有人表明这种无阳极的电池可以有合理的使用寿命。他们总是很快失败,或者容量很低,或者需要对电流收集器进行特殊处理。"


无阳极电池往往是不稳定的,会生长出树枝状的东西,这些树枝状的东西可能会导致电池短路或简单地迅速退化。这通常被归因于所涉及的碱金属的反应性,在这种情况下是钠。


在这个新设计的电池中,仅在阳极一侧使用了一层薄薄的铜箔作为电流收集器,也就是说,该电池没有活性阳极材料。在无阳极的电池中,离子不是流向阳极,在那里它们一直坐到时间回到阴极,而是被转化成一种金属。首先,它们将自己镀在铜箔上,然后在返回阴极的时候溶解掉。


"在我们的发现中,没有树枝状的结构,没有手指状的结构,"论文的第一作者、白氏实验室的一名博士生马斌元说。沉积物很光滑,有金属光泽。"对于这种碱金属来说,这种生长模式从未被观察到。"


"观察 "是关键。Bai开发了一种独特的透明毛细管电池,提供了一种观察电池的新方法。传统上,当一个电池出现故障时,为了确定什么地方出了问题,研究人员可以打开它,看一看。但这种事后的观察,其作用有限。


"所有电池的不稳定性都是在工作过程中积累的,"Bai说。"真正重要的是动态过程中的不稳定性,而没有任何方法来描述这一点。" 观察Ma的无阳极毛细管电池,"我们可以清楚地看到,如果你没有很好地控制电解液的质量,你会看到各种不稳定性,"包括树枝状物的形成,Bai说。


从本质上讲,这归结于电解质中的水的多少。


碱金属与水发生反应,因此研究小组降低了水的含量。"Bai说:"我们只是希望看到一个良好的性能。观察电池的运行情况,研究人员很快就看到了闪亮、光滑的钠的沉积物。正是这种材料的光滑性消除了可能导致树突生长的形态不规则。


"我们回去检查毛细管电池,发现电解质有一个较长的干燥过程,"白说。每个人都在谈论电池中的水含量,但是,在以前的研究中,水的数量往往被归结为只是一个需要注意的统计数字。


白和马意识到,事实上,它是关键所在。


"水含量必须低于百万分之十,"Bai说。有了这一认识,马云不仅能够建立一个毛细管电池,而且能够建立一个工作电池,其性能与标准锂离子电池相似,但由于没有阳极,占用的空间要小得多。


"检查你的手机。你的电动汽车。这类物品的成本有四分之一来自电池,"Bai说。钠电池使用比锂电池更常见的金属;它们具有与锂电池相同的能量密度;而且由于取消了阳极,它们比锂电池更小、更便宜。


"我们证明了你可以用最简单的设置来实现最好的电池,"Bai说。



免责声明

我来说几句

不吐不快,我来说两句
最新评论

还没有人评论哦,抢沙发吧~