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美国新发现有助于实现比能达500 Wh/kg的汽车电池

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58京牌 ,美国加州大学圣地亚哥分校(the University of California San Diego)和爱达荷国家实验室(Idaho National Laboratory)的科学家仔细研究了锂离子电池充电的最初阶段,并且发现缓慢、低能量充电方式可以让电极以无序的方式收集原子,从而改善电池的充电行为。此外,还发现了此前从未被发现的非晶态“玻璃状”锂,而且从传统上看,制造此种非晶态金属也极其困难。不过,这一发现为更好的电池、更快的催化剂以及其他材料科学的飞跃发展打开了大门。

(图片来源:加州大学圣地亚哥分校)

这一发现提出了用微调充电方式延长电池寿命的策略,而且此种玻璃状金属还可用于其他用途。

锂金属被认为是高能量可充电电池的首选阳极。但是,研究人员没有很好地了解在充电过程中,在阳极表面所沉积的锂原子。每次充电循环中,锂原子在阳极上沉积方式都会有所不同,从而导致充电不稳定,电池寿命有所缩短。

加州大学圣地亚哥分校和爱达荷国家实验室研究小组想了解,充电模式是否受最初聚集的几个原子的影响,即成核过程中聚集的原子。

研究人员将配备液氮冷却的强大电子显微镜的图像和分析与计算机建模相结合,此种低温电子显微镜可以让研究人员看到锂金属“胚胎”的形成过程,而计算机模拟可以解释所看到的东西。

结果发现,在特定条件下会产生一种结构较差的锂,是一种形状不定(如玻璃),而不是晶体状(如钻石)的锂。

此前,研究人员从未观察到纯非晶态的金属,而且极难生产此种金属,因此通常需要让金属混合物(合金)来达到“玻璃化”的结构,此种结构可以实现强大的材料性能。

在充电过程中,玻璃状锂“胚胎”更有可能在整个生长过程中保持形状不定。在研究什么条件有利于玻璃成核时,研究小组感到了惊讶。研究人员表示:“我们可以在非常温和的条件下,以非常慢的充电速度制造出非晶态金属。”

这一研究成果与之前的常识不符,因为研究人员认为沉积速度慢会让原子找到进入到有序晶体锂中的途径。但是,建模研究解释了反应动力学如何促进玻璃状金属的形成。该小组通过打造四种活性更高的玻璃状金属来证实研究中的发现,而且此四种金属都有潜力应用于电池。

此次研究的成果有助于实现Battery500联盟的目标。该联盟由美国能源部发起,而且美国能源部还对该项研究提供了资助。该联盟的目标是研发具有商业可行性的电池,电池的比能需要达到500 Wh/kg。此外,这一新发现有可能实现更有效的金属催化剂、更强大的金属涂层以及其他受益于玻璃金属的应用。

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