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能量材料

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黑色磷复合材料使电池更好

01 Nov 2020 IsabelleDumé.
black phosphorus

新的电极材料可以使得可以构建具有高充电率和存储容量的锂离子电池。如果被缩放,中国科技大学(USTC)和美国同事的研究人员开发的阳极材料可能用于制造能量密度,能量密度为每公斤350多小时的电池 - 足够了典型的电动车(EV)在一次充电时行驶600英里。

锂离子是许多常见电池应用中的主车辆,包括电动车辆。在操作期间,这些离子通过电解质在阳极和阴极之间来回移动,作为电池的充放电循环的一部分。因此,电池的性能很大程度上取决于电极和电解质中使用的材料,这需要能够在短时间内存储和转移许多锂离子 - 所有的同时剩余电化学稳定 - 所以它们可以再充电数百次。同时最大化所有这些材料的性能是电池研究的长期目标,但在实践中,一个人的改进通常会牺牲其他人。

“典型权衡位于电极材料的存储容量和速率能力,”联合团队负责人 恒兴吉物理世界。 “例如,通常报告具有高锂储存能力的阳极材料,例如硅,锂离子电导率低,其阻碍了快速电池[充电]。结果,电池容量的增加通常会导致长的充电时间,这代表了一个关键的障碍,以便更广泛地采用EV。“

新的黑色磷阳极材料

大多数锂离子电池中的阳极由石墨制成。研究人员在USTC的JI领导 襄樊段 在加利福尼亚大学洛杉矶,通过将石墨与黑色磷结合起来制作新的阳极材料。在阳极候选之前考虑了该2D层状材料,但测试表明其电化学性能远远低于其理论潜力。

短缺的一个原因是材料的结构在电池操作期间变形。在黑色磷层的边缘开始的这种变形将材料的质量降低到锂离子不能容易地通过它转移的程度。

通过将黑色磷与石墨,JI,段和同事组合,表明两种材料之间的化学键稳定了边缘结构并防止不需要的边缘变化。为了克服离离子较少的导电性固体电解质相互作用的持续形成和积聚,该团队将薄的聚苯胺凝胶涂层涂覆到电极材料上 - 一种也加强了锂离子的运输路径的策略。

朝着更高的能量密度和快速充电

研究人员通过使用与工业制造工艺兼容的方法制备样品电极来测试其新电极材料的充电循环性能。他们发现,其测试装置具有910 mA.hour / g,790 ma.hour / g和440 ma.hour / g在2.6 a / g,5.2 a / g和13 a / g之后,790 mA.hour / g和440 mA.hour / g , 分别。对于上下文,可以以可逆容量为440 mA.Hour / g在13 A / g充电的阳极材料意味着用该技术制造的先进锂离子电池可以在不到10分钟内收取。

“如果可以实现可扩展的生产,这种材料可以提供替代,更新的石墨阳极,并将我们朝向锂离子电池移动,能量密度高于每公斤350瓦特小时,” 森鑫是,中国科学院化学研究所和学习的一家团体作者之一。这一数字,他补充说,这意味着一辆配备这样的电池的电动汽车可以在一次充电时行驶600英里与传统的燃烧发动机车辆竞争。通过比较,Tesla模型S可以在一次充电时行驶400英里。

该研究的完整细节已发表于此 科学.

版权©2021由IOP Publishing Ltd和个人贡献者