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美國科學家發明純鋰電池,續航時間延長4倍

發布時間:2014-7-29 10:14    發布者:eechina
關鍵詞: 鋰離子電池 , 斯坦福
據外媒報道,美國科學家已經發明一款純鋰電池,可讓智能手機、電動汽車以及其他電子設備使用時間延長4倍,堪稱“電池圣杯”。

當前,使用鋰離子電池的電子設備用戶總是面臨電池使用時間過短的困擾,幾個小時內就要給設備充電,以免其電池電量耗光。現在經過多年研究,美國加州斯坦福大學的科學家發明一種純鋰電池,雖然電池體積沒有變化,但其儲存的電量卻大幅增加,大大延長使用時間。

所有電池都由三個部分組成,即提供電子的電解液、釋放電子的正極以及接受電子的負極。而我們今天使用的鋰離子電池,只是電解液中使用鋰,而正極沒有鋰。斯坦福大學的科學家現在將正極也用純鋰制造,因為其不僅便宜、小巧,而且能大幅提高電池效用。

科學家們發明了一種鋰正極,由碳納米球形成的薄膜加以保護,防止其在膨脹時裂開。碳納米球可以形成類似蜂巢的外觀,變成柔韌、均勻、無點抗性的薄膜,用以保護不穩定的鋰。碳納米球只有20納米厚,它需要5000層互相堆疊才能有人類一根頭發粗。

斯坦福大學材料科學與工程學教授崔毅(音譯)說:“鋰金屬正極的理想保護層需要在化學上保持穩定,以防其與電解液產生化學反應,同時需要在機械方面保持柔韌,足以抵制鋰在充電過程中的膨脹力。”

斯坦福大學的碳納米球保護層由無定形碳制作,其具有化學穩定、柔韌性強的特性,在電池正常充電和放電過程中,可以自由地隨鋰的膨脹和收縮而移動。崔教授稱:“在所有可用于正極的材料中,鋰無疑具有最大潛力,有人甚至稱其為‘圣杯’。這是一種超輕、能量密度超高的物質,按照單位體積和重量計算,鋰可獲得更多能量。為此可以用其制造重量更輕、體積更小而儲電更多的電池。”

另一名研究人員稱:“許多工程師不得不放棄鋰正極的研究,但我們發現保護鋰的新方法。”崔教授也說:“實際上,如果我們能夠提高電池儲電量4倍,這是一項令人激動的成就。你的手機電池壽命可能延長2到3倍,電動汽車能跑480公里而成本只需25000美元。此外,這種新發明也可用于為下一代可充電電池。”

大多數鋰離子電池工作原理類似,如同智能手機或混合動力汽車上使用的。在充電過程中,電解液中帶正電荷的鋰離子被吸引到帶負電荷的正極,并在那里積聚。今天,鋰離子電池的正極都是石墨或硅制造。

科學家們很想用鋰制造正極,但直到現在依然無法實現。因為在充電過程中,鋰離子聚集到正極時會膨脹。在所有正極材料中,包括石墨和硅,也會在充電時膨脹,但不像鋰那樣劇烈。研究人員認為,相對于其他材料來說,鋰在充電時膨脹幾乎是無限的。且其膨脹沒有規律,容易在外部表層造成坑洼和裂縫,導致鋰離子逃逸,進而造成電池短路或壽命縮短。

但這只是用鋰制造陽極的第一個挑戰。第二個難題是,鋰正極容易與電解液產生積極的化學反應,導致電解液消耗增加,電池壽命縮短。最后,在互相接觸時,鋰正極與電解液容易產生熱量導致過熱,引發起火甚至爆炸,因此安全性無法保證。而斯坦福大學的新發明將會一舉解決這些問題。
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