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美科学家研发新型岩盐阳极 可使锂离子电池充电



  现在,制约电动汽车(EV)普及的一大关键因素就是“充电时间”,根据充电方式和剩余电量的不同,电动汽车可能需要几个小时或一整夜才能充满电。这迫使司机要么不能远距离出行,要么需要在长途旅行中及时找到公共充电站并等待较长时间。

  为什么电池充满电需要这么长的时间?主要原因是电池设备及其充电器的设计使得锂电池只能以较慢的受控速率充电。这是一种安全功能,有助于防止火灾甚至爆炸,因为锂电池内部会出现微小的、坚硬的枝晶结构,当快速充电时会引发电池内部短路。

  为了解决对更实用锂离子电池的需求,来自加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)的研究人员跟橡树岭国家实验室(ORNL)的科学家合作,对一种新型材料进行中子散射实验,而这种材料可以用来制造更安全、更快的充电电池。

  研究人员制作了锂钒氧化物(Li3V2O5)的样品,这是一种类似于食盐的“无序岩盐”,但其原子排列具有一定程度的随机性。样品被放置在一个强大的中子束中,该中子束能够在施加电压后观察材料内部离子的活动。该研究成果已于近期被发表在了知名科学期刊《自然》(Nature)杂志上。

  这项研究的论文第一作者Haodong Liu表示,“两种最常用的锂离子电池阳极材料,一是石墨,它可以提供高能量密度,但在某些情况下会引发火灾,二是钛酸锂,它可以快速充电,不太可能引发火灾,但储能容量较低。”

  “我们开发的无序岩盐材料结合了两种追求特性——它更安全、充电更快,并且具有更高的能量密度。”他补充说。

  据称,这种材料在诸如电动汽车以及其他电动工具等许多电池应用中表现出了理想的性能,例如能量存储和放电速度。

  在测试中,岩盐阳极材料能够在短短20秒内提供超过40%的能量容量。快速充放电之所以成为可能,是因为岩盐材料可以在其晶体结构内的空穴中循环两个锂离子。

  “ORNL使用的中子衍射技术使我们能够理解当我们对材料施加电压时离子的行为,”Liu说:“中子可以很容易地跟踪岩盐阳极内的锂离子和氧原子,使用ORNL散裂中子源(SNS)的VULCAN仪器提供了我们所需的高中子通量和分辨率。”

  VULCAN是为中子研究变形、相变、残余应力、织构和工程材料的微观结构而设计。装载框架、熔炉、电池循环器和其他用于现场试验、稳态或时间解析测量的辅助设备都跟该仪器集成在一起。

  “VULCAN是世界上研究工程材料的顶级中子散射仪器,”ORNL的中子散射科学家Ke An说,“它的开放式设计允许测试大样本,欧洲杯,甚至是正常运转的机械设备,如运行中的内燃机,并观察它们的内部特性。该仪器为电池材料合成过程中的储能研究及其在工作电池中的行为提供了重要的科学信息。”

  研究人员表示,岩盐阳极可以循环超过10000次,容量衰减可以忽略不计。这种持久性对于消费者应用程序很重要。加州大学圣地亚哥分校保留了其对数据和实验过程中产生的任何知识产权的权利。

  为了将他们的发现商业化,该大学随后跟其研究人员合作成立了一家名为Tyfast的公司,该公司计划首先瞄准电动公交车和电动工具市场。