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研究人員發現用氟替代鋰離子材料,用于可充電電池

姚小熊27 ? 來源:蓋世汽車 ? 作者:蓋世汽車 ? 2020-12-15 09:45 ? 次閱讀

隨著現代技術(尤其是電動汽車)越來越多地使用可充電電池,研究人員一直在尋找鋰離子替代材料,以用于可充電電池。據外媒報道,圣路易斯華盛頓大學麥凱維工程學院(McKelvey School of Engineering)的材料科學家們,在氟中發現一種潛在的鋰替代品。氟是一種儲量相對豐富的輕質元素。

有趣的是,氟離子與鋰離子正好相反,對電子的吸引力最強,很容易發生電化學反應。日本的研究人員也在進行測試,在汽車中將氟離子電池作為鋰離子電池的可能替代品。據介紹,使用這些電池,可以使電動汽車單次充電運行1000公里。然而,現有氟離子電池的循環性能較差,經過充放電循環過程,往往會迅速降解。

研究人員Steven Hartman和Rohan Mishra采用新方法設計氟離子電池。他們發現兩種材料,很容易獲得或失去氟離子,在實現良好循環性的同時結構變化很小。機械工程和材料科學系的助理教授Mishra表示,這些新電池材料均為層狀電子化合物。

電子化合物是一種相對較新的材料,可以像普通金屬一樣傳導電子,但與金屬中的“電子海”不同(金屬中的電子分散在整個晶體中),在電子化合物中,電子駐留在晶體結構中的特定間隙位置,這有點類似于離子。Mishra表示:“根據我們的預測,氟離子可以很容易地取代這些間隙電子,而不會導致晶體結構發生明顯變形,從而實現可循環性。此外,由于層狀電子化合物的結構相對開放,氟離子可以輕松地移動或擴散。”

材料科學與工程學院的校友Hartman利用量子力學計算方法,對數十個潛在電池候選項進行測試。通過計算機化測試,將氟化物引入層狀電子化合物氮化二鈣鈣和次碳化釔的間隙中,使其儲能能力接近鋰離子電池。以氮化二鈣為例,它由相對豐富的元素組成,有助于克服目前鋰離子電池存在的供應不足問題。

Hartman與Mishra團隊就彼此的研究工作進行比照,后者利用機器學習“大數據”技術來篩選數千種候選項。Hartman表示:“原則上,你可以通過在常規電極中大量加入氟離子來提高電荷儲量。然而,實際上這些理論容量很難控制。當我們往常規電極中加入氟化物時,它們會在充放電時急劇膨脹和收縮,有可能導致破裂和失去電接觸。”

對于制造耐用的氟化物電池而言,盡可能減少體積和形狀變化至關重要。Hartman表示:“據我們推測,在層狀電子化合物材料中,添加和去除氟離子可以使結構發生明顯較小的結構變化,有助于延長循環壽命。”

Mishra的實驗室正在尋求與其他研究人員合作,以合成本項研究發現的電子化合物,并在原型電池中進行測試。
責任編輯:YYX

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