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《科学家创造出持久耐用的无钴锂离子电池》

  • 来源专题：工程机械与高端装备
  • 编译者： 张欣
  • 发布时间：2024-07-05

  • 加利福尼亚大学尔湾分校的科学家发现，可以减少甚至消除钴在电动汽车和其他产品的动力电池中的使用。

    UCI 物理学与天文学教授Huolin Xin 说，他的团队设计了这种方法，这可能会带来新一代锂离子电池。直到现在，镍还不是实用的替代品，因为制造锂电池需要大量的镍。而且金属的成本不断攀升。为了成为经济上可行的钴替代品，镍基电池需要使用尽可能少的镍。

    为了解决这个问题，辛的团队花了三年时间设计了一种称为“复杂浓缩掺杂”的工艺，使科学家能够像调整食谱中的调味料一样轻松地改变锂离子电池中的关键化学式。这种掺杂工艺消除了对锂离子电池功能至关重要的商业组件中对钴的需求，并用镍取而代之。

    “掺杂还提高了镍的效率，”辛说，这意味着电动汽车电池现在需要更少的镍来工作——这将有助于使金属成为钴基电池

    更有吸引力的替代品。他认为新的镍化学将迅速开始改变锂离子电池行业。电动汽车公司已经计划采用他的团队公布的结果并进行复制。

  • 原文来源：https://techxplore.com/news/2023-06-scientists-long-lasting-cobalt-free-lithium-ion-batteries.html
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  • 《科学家制造出了一款“坚不可摧”的锂离子电池 安全不爆炸》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2020-02-02
    • 锂离子电池，以其特有的性能优势在各种便携式移动电子设备中得到普遍应用。大容量锂离子电池也已经用于对电动汽车领域，甚至还将在卫星、航空航天以及储能等方面得到应用。然而，前几年却频频爆出三星Note7手机爆炸的新闻，其背后的主要原因也是因为锂离子电池的易燃性。前几天，《连线》（WIRED）刊登了一篇令人振奋人心的新闻，文章原标题为Scientists Made a Nearly Invincible Lithium-Ion Battery，作者DANIEL OBERHAUS在文中介绍了美国科学家制造出的一款全新坚不可摧的锂离子电池。 　　锂离子电池几乎重新塑造了整个现代世界。无论是手机、笔记本电脑，还是电子烟、电动汽车，它都是其可重复充电电子组件中的核心要素。 　　虽然锂离子电池的电能储存效果较优，同时具有高能量密度，但这并不能说明它是完美的选择。因为制造锂离子电池必须依靠有毒易燃材料，所以即便是最小的缺陷，都可能会导致有关设备的爆炸。 　　一组由约翰霍普金斯大学应用物理实验室（Johns Hopkins Applied Physics Laboratory）的物理学家组成的研究人员认为，针对现有的锂离子电池安全问题，完全有能力进一步改进。 　　过去五年以来，他们也一直在研发一款看似不会出现安全问题的新型锂离子电池。2017年，他们连同马里兰大学（University of Maryland）的研究人员，共同推出了一款可以切割、射击、弯曲甚至浸泡的新型锂离子电池，而且还能保持其持续放电。 　　2019年底，约翰霍普金斯大学的团队还进行了进一步改良升级，使这款电池具有防火性能，并且将其电压也提高到了与同等商业产品相当的水平。当然，这可能也会让三星公司十足嫉妒。 　　该应用物理实验室负责这项研究的高级科学家康斯坦提诺丝·格拉索泼罗斯（Konstantinos Gerasopoulos）称，要制造这款坚不可摧的电池，其核心在于电解液，即在电池的正负极之间起传导离子作用的化学混合物。 　　当你在使用锂离子电池时，带电锂粒子会穿过电解液的阻碍，从电池一端的阳极（负极）到达另一端的阴极（正极），并在其中产生化学反应、产生能量。 　　该应用物理实验室的材料科学项目经理杰夫·马兰奇（Jeff Maranchi）称，大多数锂离子电解液都是易燃锂盐和有毒液体的混合物，这意味着“如今的锂离子化学行业中，存在着潜在的灾难风险”。 　　如果这种将电池阳极与阴极分隔开的可渗透阻碍损坏的话，那就会造成短路，同时产生大量热量。当所有这些热量接触到电池中富氧阴极旁的极度易燃材料（如锂离子电解液）后，那你手上就会拿着一个燃烧着的电子设备。 　　水性电池可以避免所有的这些问题，毕竟电解液本来就是水性的，因此既不易燃又无毒。虽然水性电池已经存在了大约25年了，但其功效实在太弱，所以也起不到太大作用。 　　该应用物理实验室所发现的是，如果增加锂盐浓度，并且将电解液与一种聚合物（一种看起来像极度柔软的塑料的材料），他们就可以将电势从1.2伏提高到4伏，达到与商用锂离子电池同等的水平。 　　当格拉索泼罗斯和他的同事们将一款商用电池的阳极与阴极与这个像塑料的电解液相连接后，他们成功地制造出了一款市面上从来没见过的锂离子电池。 　　这个电池外观透明，具有隐形眼镜的柔韧性，同时无毒且不易燃，无论是制作和使用，都可以在露天没有外壳的情况下进行。除此之外，它还能承受几乎任何一种“虐待”。 　　该款全新电池核心的电解液，是由锂盐和不易燃烧或爆炸的柔软塑料型材料的混合物而成。 　　在针对这款电池的测试过程中，该应用物理实验室团队尝试过将样本浸入盐水中、用剪刀剪开、使用空气炮模拟弹道冲击，最后还用火点燃。在每轮测试中，电池一直保持着正常放电。在其中一项用火点燃测试后，实验人员将烧焦部分切除，剩余部分仍然正常使用了约100小时。 　　马兰奇还称，这种新型的水性电池也不只存在并于实验室中，其团队已经在接触多名未公开身份的制造商。这些制造商表示，他们可以轻松地将这款全新化学材料及形状因素融入至现有的锂离子电池生成线上。据马兰奇称，不用两年时间，它就可以投入商用市场，甚至能运用到之前未曾涉及过的领域之中。 　　因为其柔韧性的优势，所以也可以将其集成至可穿戴电子设备中，甚至最后还可以直接植入到衣服纤维中。 　　其在强度和耐用等方面的优势，也暗示了其可以在许多军事和科技应用中的新用途，比如无人驾驶水下航行器，无人机以及卫星等。 　　当然，目前这款电池也存在一些技术障碍，比如增加水性电池同样面临的充电周期问题。通常而言，智能手机的电池可以实现超过1000次充放次数，但这款新型电池却在充放次数到100次过后，就会出现电势能的损失。 　　格拉索泼罗斯说，针对电解液化学性质的微调，可能会提供新的解决方案。 　　到那时候，会爆炸的电子设备可能就将不复存在。
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  • 《科学家将核废料转化为可持续使用1000年的钻石电池》
    • 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：2022-04-26
    • 核能被认为是一种清洁能源，因为它的二氧化碳排放量为零;然而，与此同时，随着世界各地越来越多的反应堆的建成，它产生了大量的危险的放射性废物。专家们为这个问题提出了不同的解决方案，以便更好地照顾环境和人们的健康。由于没有足够的安全储存空间来处理核废料，这些想法的焦点是材料的再利用。 放射性钻石电池在2016年首次被开发出来并立即受到好评，因为它们承诺提供一种新的、具有成本效益的核废料回收方式。在这种情况下，不可避免地要斟酌它们是否是这些有毒、致命残留物的最终解决方案。 什么是放射性钻石电池? 放射性钻石电池最初是由布里斯托尔大学卡博特环境研究所的一个物理学家和化学家团队开发的。这项发明是作为一种β辐射电转换设备提出的，这意味着它是由核废料的β衰变提供动力。 β衰变是一种放射性衰变，当一个原子的原子核有过量的粒子并释放一些粒子以获得更稳定的质子和中子的比例时就会发生。这就产生了一种被称为β辐射的电离辐射，其中涉及大量被称为β粒子的高速和高能电子或正电子。β粒子含有核能，可以通过半导体转化为电能。 β衰变是一种放射性衰变，当一个原子的原子核有过量的粒子并释放一些粒子以获得更稳定的质子和中子的比例时就会发生。 一个典型的betvoltaic电池由置于半导体之间的放射性材料薄层组成。当核材料衰变时，它发射出β粒子，将半导体中的电子击散，产生电流。然而，放射源离半导体越远，其功率密度就越低。除此之外，由于β粒子是随机向各个方向发射的，只有少数粒子会击中半导体，而其中只有少数粒子会被转化为电能。这意味着核电池的效率比其他类型的电池低得多。这就是聚晶金刚石(PCD)的作用。 放射性钻石电池是使用一种叫做化学气相沉积的工艺制造的，这种工艺被广泛用于人造钻石的制造。它使用氢气和甲烷的混合等离子体，在非常高的温度下生长金刚石薄膜。研究人员通过使用含有放射性同位素Carbon-14的放射性甲烷，对CVD工艺进行了修改以生长放射性钻石，这种放射性同位素在经过辐照的反应堆石墨块上发现。 钻石是人类所知的最硬的材料之一--它甚至比碳化硅更硬。而且它既可以作为一个放射源，也可以作为一个半导体。把它暴露在β射线下会得到一个不需要充电的长效电池。它内部的核废料一次又一次地为它提供燃料，使它能够长期自我充电。然而，布里斯托尔的科研团队警告说，他们的放射性钻石电池不适合用于笔记本电脑或智能手机，因为它们只含有1克碳-14，这意味着它们提供的功率非常低--只有几微瓦，低于典型的AA电池。因此，到目前为止，它们的应用仅限于那些必须长时间无人看管的小型设备，如传感器和心脏起搏器。 核电池的起源可以追溯到1913年，当时英国物理学家亨利-莫斯利发现，粒子辐射可以产生电流。在20世纪50年代和60年代，航空航天工业对莫斯利的发现非常感兴趣，因为它有可能为长期任务的航天器提供动力。RCA公司也研究了核电池在无线电接收机和助听器中的应用。 但为了发展和维持这项发明，还需要其他技术。在这方面，合成钻石的使用被认为是革命性的，因为它为放射性电池提供了安全性和导电性。随着纳米技术的加入，一家美国公司打造了一个高功率的纳米钻石电池。 NDB公司总部位于加利福尼亚州旧金山，成立于2012年，目标是创造一种更清洁、更环保的传统电池替代品。这家初创公司在2016年推出了其版本的基于钻石的电池，并宣布在2020年进行两项概念验证测试。它是试图将放射性钻石电池商业化的公司之一。NDB的纳米钻石电池被描述为Alpha、Beta和中子辐射电池，根据他们官网的介绍，有如下特点： 持久性。该公司计算出这些电池可以持续28000年，这意味着它们可以为长期任务中的空间飞行器、空间站和卫星提供可靠的动力。地球上的无人机、电动汽车和飞机将永远不需要停下来充电。 安全。钻石不仅是最坚硬的物质之一，也是世界上最有导热性的材料之一，这有助于保护电池中的放射性同位素所产生的热量，使其迅速变成电流。 市场友好性。其中的PCD薄膜层使电池可以允许不同的形状和形式。这就是为什么纳米钻石电池可以有多种用途，进入不同的市场，从上述的空间应用到消费电子。不过，消费版寿命不会超过十年。 纳米钻石电池计划在2023年进入市场。 Arkenlight是将布里斯托尔的放射性钻石电池商业化的英国公司，计划在2023年下半年向市场发布他们的第一个产品。 放射性钻石电池的未来 现代电子设备的便携性，电动汽车的日益普及，以及21世纪将人类带入火星的长期太空任务的竞赛，在过去几年中引发了人们对电池技术研究的日益关注。 一些类型的电池更适合于某些应用，而对另一些应用则不那么有用。但我们可以说，我们熟悉的传统锂离子电池不会很快被放射性钻石电池取代。 传统电池的持续时间较短，但它们的制造成本也更低。然而，与此同时，它们的寿命并不长(它们的寿命约为5年)，这也是一个问题，因为它们也会产生大量的电子垃圾，不容易回收。 放射性钻石电池更方便，因为它们的寿命比传统电池长很多。如果它们能像NDB公司提出的那样被开发成通用电池，那么我们最终可能会得到比智能手机寿命长得多的电池。 然而，Arkenlight公司开发的钻石β辐射电转换技术不会走那么远。该公司正在研究将其大量的碳-14betab电池堆叠成电池的设计。为了提供高功率的放电，每个电池可以伴随着一个小型的超级电容器，这可以提供一个优秀的快速放电能力。 然而，这种放射性材料的寿命也超过了5000年。如果辐射以气态形式从设备中泄漏出来，可能会成为一个问题。这就是钻石出现的原因。在钻石的形成中，C-14是一种固体，所以它不能被生物提取和吸收。 英国原子能管理局(UKAEA)计算，100磅(约45公斤)的碳-14足以拿来制造数百万个基于钻石的长寿命电池。这些电池还可以降低核废料的储存成本。 布里斯托尔大学研究员汤姆-斯科特教授告诉Nuclear Energy Insider说："通过直接从反应堆中去除辐照石墨中的碳-14，这将使剩余的废物产品的放射性降低，因此更容易管理和处置。处置石墨废物的成本估计为：中级废物[ILW]每立方米46,000磅(60,000美元)，低级废物[LLW]每立方米3,000磅(4,000美元)。" 所有这些特点正是我们需要的可持续未来的最佳选择之一，我们可以拭目以待，看看制造商是否能找到处理生产成本和低能量输出的方法，并将他们的钻石基电池以成本效益和可获得的方式推向市场。
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