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科学家发现氟有可能替代锂 用于可充电电池

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58京牌 随着现代技术(尤其是)越来越多地使用可充电电池,研究人员一直在寻找锂离子替代材料,以用于可充电电池。,圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院(McKelvey School of Engineering)的材料科学家们,在氟中发现一种潜在的锂替代品。氟是一种储量相对丰富的轻质元素。

(图片来源:wustl)

有趣的是,氟离子与锂离子正好相反,对电子的吸引力最强,很容易发生电化学反应。日本的研究人员也在进行测试,在汽车中将氟离子电池作为锂离子电池的可能替代品。据介绍,使用这些电池,可以使单次充电运行1000公里。然而,现有氟离子电池的循环性能较差,经过充放电循环过程,往往会迅速降解。

研究人员Steven Hartman和Rohan Mishra采用新方法设计氟离子电池。他们发现两种材料,很容易获得或失去氟离子,在实现良好循环性的同时结构变化很小。机械工程和材料科学系的助理教授Mishra表示,这些新电池材料均为层状电子化合物。

电子化合物是一种相对较新的材料,可以像普通金属一样传导电子,但与金属中的“电子海”不同(金属中的电子分散在整个晶体中),在电子化合物中,电子驻留在晶体结构中的特定间隙位置,这有点类似于离子。Mishra表示:“根据我们的预测,氟离子可以很容易地取代这些间隙电子,而不会导致晶体结构发生明显变形,从而实现可循环性。此外,由于层状电子化合物的结构相对开放,氟离子可以轻松地移动或扩散。”

材料科学与工程学院的校友Hartman利用量子力学计算方法,对数十个潜在电池候选项进行测试。通过计算机化测试,将氟化物引入层状电子化合物氮化二钙钙和次碳化钇的间隙中,使其储能能力接近锂离子电池。以氮化二钙为例,它由相对丰富的元素组成,有助于克服目前锂离子电池存在的供应不足问题。

Hartman与Mishra团队就彼此的研究工作进行比照,后者利用机器学习“大数据”技术来筛选数千种候选项。Hartman表示:“原则上,你可以通过在常规电极中大量加入氟离子来提高电荷储量。然而,实际上这些理论容量很难控制。当我们往常规电极中加入氟化物时,它们会在充放电时急剧膨胀和收缩,有可能导致破裂和失去电接触。”

对于制造耐用的氟化物电池而言,尽可能减少体积和形状变化至关重要。Hartman表示:“据我们推测,在层状电子化合物材料中,添加和去除氟离子可以使结构发生明显较小的结构变化,有助于延长循环寿命。”

Mishra的实验室正在寻求与其他研究人员合作,以合成本项研究发现的电子化合物,并在原型电池中进行测试。

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