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新型電池材料的出現有望降低電動車和手機的成本

2017-07-10 14:41:35 作者：本網整理來源：材料科技在線分享至：

德克薩斯大學達拉斯分校和首爾國立大學的研究人員設計了一種新型電池陰極材料，為鋰離子電池提供了一種低成本、更環保的選擇。他們的鈉離子設計，保留了鋰離子電池的高能量密度，用鈉(黃色)取代了鋰原子(綠色)的大部分。新材料的分層結構還包括錳(紫色)和氧(紅色)。這項研究發表在雜志the journal Advanced Materials上。圖片來自:德州大學達拉斯分校

在電池領域，鋰電池技術是目前的佼佼者，其應用范圍很廣，例如在你的口袋里的手機，以及越來越多的電動汽車。

但是，達拉斯德克薩斯大學與首爾國立大學合作開發的一種新型錳和鈉基材料，可能會成為鋰電池的有力競爭者，其能夠提供一種潛在地成本更低、更環保的燃料，為下一代設備和電動汽車提供燃料。

“電池成本是一個重大問題，”Kyeongjae Cho博士說，他是埃里克瓊森工程和計算機科學學院的材料科學和工程教授，也是一篇論文的資深作者，他在高級材料雜志上描述了這種新材料。

Cho說，隨著制造商和消費者不斷推動和使用電動汽車，鋰的生產可能很難跟上需求的增長。根據國際能源機構最近的一份報告顯示，2016年全球電動汽車的銷量超過了200萬輛，比2015年增加了100萬輛。報告指出，根據政策環境的發展，到2020年，中國的需求人口將在900萬到2000萬之間，到2025年將達到4000萬到7000萬之間。

在電動汽車電池的成本節約方面，使用鈉的成本會更低，因為鈉的含量更豐富，但它也有一些缺點。

“鋰是一種更昂貴、資源有限的資源，必須從地球上的僅有的幾個地方進行開采，”Cho說。“鈉可以從海水中提取，是不存在開采問題的。”不幸的是，雖然鈉離子電池可能比使用鋰的電池要便宜，但鈉的能量密度比鋰低20%。”

電池的能量密度或能量儲存能力決定了設備的運行時間。

“我們利用之前的經驗，思考這些問題——我們如何將這些想法結合起來，想出新的解決問題的辦法?” Cho說。

電池由正電極或陽極，負極或陰極，中間有電解液組成。在標準的鋰離子電池中，陰極由鋰、鈷、鎳和氧組成，而陽極是由石墨制成的，而石墨是一種碳。當電池充電時，鋰離子通過電解液進入陽極，并附在碳上。在放電過程中，鋰離子會回到陰極，并為運行設備提供電能。

“幾年前，在鋰離子電池陰極中使用氧化錳來增加容量，這是非常理想的的，但不幸的是，這種組合很不穩定。”Cho說。

在Cho和他的同事開發設計中，利用鈉取代了陰極中的大部分鋰，并利用錳取代了鈷和鎳等更昂貴、更稀有的元素。

“我們的鈉離子材料更穩定，而且仍然保持鋰的高能量容量，”Cho說。 “我們認為這是可擴展的，這是我們研究的重點，我們希望以這樣的方式制作材料，使該過程與商業大規模生產相兼容。”

基于他們對其他實驗材料的物理和化學知識的了解，研究人員用合理的材料設計來解決這個問題。他們首先進行計算機模擬，以確定在實驗室制造和測試材料之前得到最理想的原子結構。

Cho說，他的研究并不僅僅是為了找到更好的電池。他說，這項研究的過程也同樣重要和有趣。

“當托馬斯愛迪生發明燈泡時，他嘗試了數千種不同的材料，來比較哪種材料能起作用，”趙說。“為了解決當今社會的重大工程問題，我們需要開發大量的新材料——電池材料、污染控制材料等。Edison正在完善一個項目——光球——但我們需要更多的技術。我們需要盡快找到解決辦法。”

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