《新材料铌酸镍:锂离子电池充电速度提升10倍》

  • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2021-11-23
  • 荷兰特温特大学的研究人员发现,通过使用铌酸镍作为锂离子电池的阳极,充电速度可以提高十倍。

    通常来说,有两种材料可以作为阳极材料。首先,最常见的是石墨阳极,它的能量密度极高,可以为汽车供电数百英里而无需充电。然而,这种电池在充电时会有锂金属电镀的过程,从而容易导致火灾和爆炸。

    另一种是钛酸锂阳极,可以快速充电,但缺点是随着时间推移其能量密度会显著下降,这意味着需要更频繁地对电池进行充电。

    荷兰特温特大学的研究人员在发表在《Advanced Energy Materials》杂志上的一篇论文中表示,铌酸镍这种新材料能够提高充电速度,同时降低损坏阳极材料、导致电池损坏或缩短其使用寿命的风险。

    铌酸镍(NiNb2O6)是一种新材料,在研究人员看来,它具有非常有吸引力的特性,例如经过多次超快充电循环后可以恢复到原来的水平。这主要与其“开放和规则的晶体结构”有关,导致电荷传输信道相同。这意味着它的性能优于标准阳极材料石墨。

    此外,尽管制造这种类型的纳米材料很复杂,但铌酸镍的情况并非如此,因为它不需要无尘室这样的基础设施。而且,铌酸镍比石墨更致密、体积能量密度更高,更有机会打造出更轻、更简单的商业电池。

    研究人员通过测试发现,该版本非常适合将其引入能源网、需要快速充电和放电的电动机器或电动重型运输工具。但是,如果用于电动汽车,还需要进一步改进。

  • 原文来源:http://www.cnenergynews.cn/zhiku/2021/11/22/detail_20211122111479.html
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    • 10月14日获悉,中国科学技术大学季恒星教授研究组与美国加州大学洛杉矶分校、中国科学院化学研究所等机构合作,在新型锂离子电池电极材料研究方面取得重大突破:全新设计的黑磷复合材料使锂离子电池兼具高容量、快速充电且长寿命成为可能。这项成果发表在《科学》杂志上。 如今电动汽车愈发受到市场青睐,但漫长的充电时间也让人望而却步。传统燃油汽车仅需5分钟即可满油增程500公里,而目前市售最先进的电动汽车则需要“坐等”充电一小时才能达到同样的增程效果。发展具有快速充电能力的大容量锂离子电池一直是电动汽车行业的重要目标。中国科学技术大学的这项最新研究突破使人类距离该目标更近了一步。 论文第一作者金洪昌博士介绍:“在锂离子电池中,能量通过锂离子与电极材料的化学反应进出电池,因此电极材料对锂离子的传导能力是决定充电速度的关键;另一方面,单位质量或体积的电极材料容纳锂离子的多少也是一个重要因素。” 黑磷是白磷的同素异形体,特殊的层状结构赋予了它很强的离子传导能力和高理论容量,是极具潜力的满足快充要求的电极材料。然而黑磷容易从层状结构的边缘开始发生结构破坏,实测性能远低于理论预期。 为此,季恒星团队采用“界面工程”策略将黑磷和石墨通过磷碳共价键连接在一起,在稳定材料结构的同时提升了黑磷石墨复合材料内部对锂离子的传导能力。针对电极材料在工作过程中会被电解液逐渐分解的化学物质所包裹,部分物质会阻碍锂离子进入电极材料,就像玻璃表面的灰尘阻碍光线穿透一样。研究团队用轻薄的聚合物凝胶做成防尘外衣“穿”在黑磷石墨复合材料表面,使锂离子得以顺利进入。 “我们采用常规的工艺路线和技术参数将黑磷复合材料做成电极片。实验室的测量结果表明,电极片充电9分钟即可恢复约80%的电量,2000次循环后仍可保持90%的容量。”论文共同第一作者、中国科学院化学研究所研究员辛森介绍说,“如果能够实现这款材料的大规模生产,找到匹配的正极材料及其他辅助材料,并针对电芯结构、热管理和析锂防护等进行优化设计,将有望获得能量密度达350瓦时/千克并具备快充能力的锂离子电池。” 这样的锂离子电池能够使电动汽车的行驶里程接近1000公里,而特斯拉Model S满电后的行驶里程为650公里。快速充电能力将使电动汽车的用户体验上升一个台阶。
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    • 美国西北大学研究团队研发出一种全新材料,可用于制造性能稳定的大容量锂离子电池,从而大幅提升智能手机、电动汽车等的续航时间,甚至可以延长到目前的两倍多。 锂离子电池已是现代高性能电池的代表,应用最为广泛,其主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。而今消费电子和动力电池对能量密度提升的需求,推动着正极材料不断进步——通常,人们采用的是锂、氧和一种过渡金属的化合物为电池正极,这其中,正是过渡金属负责储存和释放电能,其性质也是电池容量的关键。 现阶段最常用的过渡金属是钴,而此前科学家研究发现,如果用镁取代钴,可以在提高容量的同时降低成本,但镁也有一定缺陷——电池性能退化太快,仅两轮充放电后就出现大幅下降。 据美国西北大学官方网站介绍,此次团队研发的新材料是掺有铬和钒元素的锂镁氧化物,其用作锂离子电池的正极,电池容量出现了大幅提高,同时兼具性能稳定、不会迅速退化的优点。 西北大学研究小组先是为锂镁氧化物材料建立了一个结构模型。该模型详细到了单个原子,团队借此分析了全部充放电过程,发现其中的氧也会参与存储电能,因而容量比以往要大。 随后,研究人员尝试了将不同元素掺入锂镁氧化物的方案,以期计算出不同混合物各自的储能效果。最终他们发现,掺入铬和钒能在保持电池大容量的同时实现最稳定性能。 研究人员表示,下一步他们将在实验室中检验该新材料的实际应用表现。