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2020年，電池領(lǐng)域的十大科技突破
時間:2021-01-06 10:59來源:鋰電前沿 作者:小小鋰博士
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鋰離子電池的發(fā)展是現(xiàn)代世界發(fā)展進(jìn)步的推進(jìn)器，人們對如何提高電池性能保持著高度關(guān)注，科研人員正在不斷探索各種途徑來優(yōu)化電池的性能。無論是制造世界上最快的電極，用核廢料制造電池部件，還是借助聲波防止火災(zāi)危險，在2020年，科學(xué)家向我們展示了開發(fā)下一代儲能技術(shù)方面他們是多么富有想象力。
科研人員探究了很多改進(jìn)電極性能的方法，比如，添加少量的石墨烯使電解質(zhì)變得更加硬固、先進(jìn)的材料是如何實(shí)現(xiàn)電池快速充電或提供更高的能量密度。。外媒Newatlas網(wǎng)站評選出電池領(lǐng)域的十大科技突破，下面和鋰電前沿小編一同看看這些研究的亮點(diǎn)以及一些顛覆性、跳脫于常規(guī)思維定式的電池設(shè)計？
今當(dāng)電池計及化學(xué)行業(yè)發(fā)展是受高度關(guān)注的科研領(lǐng)域，在2020年間科研人員提供了許多改進(jìn)設(shè)備的方法，且這些設(shè)備將會在未來的幾年內(nèi)得到改進(jìn)。
鋰金屬材料的開發(fā)和應(yīng)用
Min-Kyu Son教授帶領(lǐng)WSU研究小組提出了一種新的鋰電池設(shè)計
通過引入新材料來提升電池性能有很多的選擇，其中一種選擇是具有巨大的開發(fā)潛力鋰金屬。有人把鋰金屬描述為一種“夢幻材料”，用鋰金屬作為陽極來代替目前使用的石墨和銅，可以顯著提高電池的能量密度，使電池能夠工作更長的時間以及儲存更多的能量。
但使用鋰金屬最大的問題是安全性。當(dāng)電池充電時，鋰金屬表面會形成樹突狀鋰枝晶，進(jìn)而導(dǎo)致電池短路、起火，最終導(dǎo)致設(shè)備故障。在2020年有一些解決這個問題的新方法，其中一個是華盛頓州立大學(xué)教授Min-Kyu Son，他們防止鋰枝晶形成的方法是在陰極和電解質(zhì)溶液中加入某種化學(xué)物質(zhì)，在鋰金屬陽極表面形成保護(hù)層，使其在500次的充放電循環(huán)中保持穩(wěn)定。值得一提的是，這個過程可以集成到現(xiàn)有的制造程序中，以便于大規(guī)模生產(chǎn)制造。
無枝晶的固態(tài)電池
QuantumScape固態(tài)電池（右）比普通鋰離子電池（左）在重量和體積上儲存的能量要多得多，而且通過了一系列與電動汽車相關(guān)的測試
12月，加州電池制造商QuantumScape公布了用于電動汽車的固態(tài)鋰金屬電池的一些性能數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示：一輛平板電動車能在短短15分鐘內(nèi)就可以充電到80%。該公司聲稱可以做到部分原因是：使用了固體電解質(zhì)而非液體電解質(zhì)，以及由鋰金屬制成的陽極在充電時，這種陽極會自身形成隔離物，有效避免了枝晶問題。
這種電池具有出色的能量密度，大約是特斯拉3型鋰電池的四倍，容量為1千瓦時/升。在重量方面，這款電池還提供了380至500瓦時/公斤的電量，超過了特斯拉電池組的260瓦時/公斤。研究還發(fā)現(xiàn)，這種電池在經(jīng)過800次循環(huán)后仍能保持80%的容量，在電池壽命和安全性方面同比其他電池更為優(yōu)越。
聲波方面的探究
在聲波方面，加州大學(xué)圣地亞哥分校的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種解決電池問題的潛在方法
今年2月，加州大學(xué)圣地亞哥分校的一組研究人員探索出了一種頗具想象力的方法來防止鋰金屬電池中的枝晶生長。該研究小組制造了一個微型超聲波裝置，并將其整合到鋰金屬電池中，使其能夠通過液體電解質(zhì)發(fā)送高頻聲波，使其流動平緩，這將有助于在陽極上形成整齊、均勻的鋰分布，而不是形成導(dǎo)致枝晶生長的不均勻團(tuán)塊。在測試中，這種配備了超聲波的電池可以在10分鐘內(nèi)從0%充電到100%，并在250次充電循環(huán)中保持穩(wěn)定，再次預(yù)示著鋰金屬電池的安全性提高。
一種快充電池
科學(xué)家們在開發(fā)先進(jìn)的鋰電池方面取得了突破性進(jìn)展，這種電池可以使電池充電更快，更不容易發(fā)生故障
德州農(nóng)工大學(xué)的科學(xué)家展示了一種裝置，這種裝置采用了由碳納米管制成的微小支架作為陽極，這是科學(xué)家們就如何實(shí)現(xiàn)鋰金屬電池的又一個例子。這些分子與鋰離子結(jié)合在一起，有助于避免在表面形成樹突。
雖然這種設(shè)計在安全性方面與傳統(tǒng)設(shè)計相差無幾，但這種電池結(jié)構(gòu)也被證明了這種電池能夠產(chǎn)生更大的電流。事實(shí)上，它的體積要比傳統(tǒng)電池大得多，以至于研究小組報告說，這個裝置能處理的電流是傳統(tǒng)電池的五倍，這就提供了一種電池能短時間充滿電的研究方向。
添加硅元素
在鋰離子電池的結(jié)構(gòu)中加入硅元素可以極大地提高電池的能量密度
雖然鋰金屬作為一種陽極材料具有很大的潛力，但其他金屬也具有可開發(fā)的前景。硅就是其中之一，它的鋰離子儲存能力是當(dāng)今石墨和銅的四倍，但容量往往會迅速下降。
在六月份，韓國科學(xué)技術(shù)研究所的科學(xué)家們使用了一種稱為鋰預(yù)加載的技術(shù)來提高電池的壽命，這包括將硅陽極浸入一種特殊的溶液中，使電子和鋰離子滲入電極，以彌補(bǔ)循環(huán)過程中的損失。
大多數(shù)硅基負(fù)極在最初的充電循環(huán)中鋰離子流失超過20%，而這種新陽極在測試過程中流失不到1%。它的能量密度也比市面上的同類產(chǎn)品高出25%。
微波和鹽的開發(fā)和應(yīng)用
塑料瓶是一個巨大的廢物來源，但科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種將其用于下一代電池的方法
另一種具有巨大潛力的電池化學(xué)物質(zhì)是鈉離子，但原因截然不同。鋰金屬比較稀有，開采鋰成本高昂，而且對環(huán)境有害。而世界上鹽的來源廣泛，可以有機(jī)會轉(zhuǎn)化成成本更低的電池，應(yīng)用于電網(wǎng)等。在四月份，電池的一個重要部件被發(fā)現(xiàn)可以同樣從豐富的材料中獲得。
Purdue大學(xué)的科學(xué)家們能夠從可回收的PET塑料還原成薄片，然后用超快微波輻射處理，使其變成一種被稱為對苯二甲酸二鈉的物質(zhì)，這種有機(jī)小分子有著優(yōu)異的電化學(xué)性能，長期以來一直被認(rèn)為是一種潛在的陽極材料，研究小組稱它是鈉離子電池組件的一部分。
首席研究員維拉斯·波爾說：“源于社會對氣候變化和能源資源限制的關(guān)注和日益增強(qiáng)的意識，我們正在解決可再生能源轉(zhuǎn)換和儲存激增的問題。”
來自海洋的靈感
在蝦殼中發(fā)現(xiàn)的幾丁質(zhì)已被用于生產(chǎn)一種可持續(xù)的流動電池電極
為可再生能源提供電網(wǎng)規(guī)模存儲解決方案的另一種替代電池設(shè)計是氧化還原液流電池。這些裝置不是將能量儲存在電池內(nèi)部，而是將能量儲存在巨大的外部槽中的液體電解質(zhì)中，這意味著通過增大槽的尺寸可以增加儲存潛力。
今年6月，麻省理工學(xué)院的一個研究小組演示了如何用更可持續(xù)的材料制造這些電池的關(guān)鍵構(gòu)件。幾丁質(zhì)是一種類似纖維素的多糖，存在于蝦殼中，研究人員能夠?qū)⑵渑c毛氈結(jié)合使用，為具有更高能量密度的氧化還原液流電池制造電極。
這項研究的資深作者弗朗西斯科·馬丁·馬丁內(nèi)斯說：“它的好處不僅在于其良好的性能，而且在于起始材料的低成本，并且考慮了廢物的再利用，這使得電極更具有可持續(xù)性價值。”
充分利用地心引力
重力演示設(shè)施的概念圖，應(yīng)于2021年初開放測試
大規(guī)模儲存可再生能源的另一個解決辦法可能在于重力的利用。蘇格蘭公司Gravitricity正在開發(fā)一種新型的儲能系統(tǒng)，它由巨大的砝碼、強(qiáng)大的絞盤和纜繩組成。能量來自于重物從一根轉(zhuǎn)動絞車并發(fā)電的軸上落下。
在短短的15分鐘內(nèi)制造出的能量，可持續(xù)輸出功率長達(dá)8小時，峰值輸出之間的1至20兆瓦。這將是一個低成本、可持續(xù)的能源解決方案，該公司正在加緊建設(shè)一個原型系統(tǒng)，這將在2021年底于愛丁堡完成測試。
利用石墨烯增加硬度
通過在陶瓷材料中添加石墨烯，制造出迄今為止最堅硬的固體電解質(zhì)
在六月份，另一種固態(tài)電池的研發(fā)受到高度關(guān)注。一般來說，將液體電解質(zhì)換成固體電解質(zhì)，以獲得更高的能量密度，但這通常就會導(dǎo)致電池的破裂和被腐蝕。
布朗大學(xué)的一個研究小組通過研究石墨烯材料來尋求解決此問題的方案，他們將少量石墨烯添加到陶瓷材料中，形成一種新型固體電解質(zhì)，他們聲稱這種電解質(zhì)是迄今為止最堅硬的。這項研究的新奇之處在于石墨烯具有很高的導(dǎo)電性，這對于電解質(zhì)來說并不是一個好的性能指標(biāo)，但是他們將石墨烯的濃度保持在足夠低的水平，找到了一個阻止石墨烯導(dǎo)電的最佳點(diǎn)，并且仍然能夠提供很高的硬度。
世界上最快的電極
電池性能取決于一個離子能夠把電荷攜帶到多遠(yuǎn)；左邊是一個典型的，混亂的電極結(jié)構(gòu)的描述，一個離子必須經(jīng)過長距離和迂回的距離。右邊是垂直排列的碳納米管結(jié)構(gòu)的剛性結(jié)構(gòu)，它將每一小塊活性物質(zhì)和其中的離子直接連接到集電器
所有的電池都有一對電極，即陰極和陽極，電流通過它們流動，而這些通常都是雜亂無章的結(jié)構(gòu)，離子需要攜帶電荷在復(fù)雜的環(huán)境下運(yùn)動。超級電容器制造商N(yùn)awa在10月份推出了自己的電極設(shè)計，提供了一種更為快捷的離子傳輸通道。
這種電極由一個垂直排列的結(jié)構(gòu)組成，類似于梳子的結(jié)構(gòu)，1000億個高導(dǎo)電性的碳納米管豎立在螺栓上，并涂上活性材料，如鋰離子。這等于為移動的離子創(chuàng)造了一條高速公路，使它們能夠以更方便的方式進(jìn)出電池。
實(shí)際上，該公司表示，它的電極可以將電池的充放電效率提高10倍，可實(shí)現(xiàn)在5分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)0-80%的充電。與此同時，能量密度可能會躍升兩到三倍。
Nawa表示：其生產(chǎn)這些電極的工藝成本低廉，并有信心與現(xiàn)有的電極相比更具有成本競爭力。該公司預(yù)計，這項技術(shù)將于2022年開始進(jìn)入市場，到2023年后能開發(fā)出更加先進(jìn)的技術(shù)系統(tǒng)。目前，該公司正與多家汽車公司就此展開商談，在法國已經(jīng)找到了大客戶Saft。
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