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新型電池材料的出現(xiàn)有望降低電動車和手機的成本

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

德克薩斯大學(xué)達拉斯分校和首爾國立大學(xué)的研究人員設(shè)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(huán)保的選擇。他們的鈉離子設(shè)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(jié)構(gòu)還包括錳(紫色)和氧(紅色)。這項研究發(fā)表在雜志the journal Advanced Materials上。圖片來自:德州大學(xué)達拉斯分校

在電池領(lǐng)域，鋰電池技術(shù)是目前的佼佼者，其應(yīng)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(xué)與首爾國立大學(xué)合作開發(fā)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(huán)保的燃料，為下一代設(shè)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(xué)學(xué)院的材料科學(xué)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(chǎn)可能很難跟上需求的增長。根據(jù)國際能源機構(gòu)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(jù)政策環(huán)境的發(fā)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(jié)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(shè)備的運行時間。

“我們利用之前的經(jīng)驗，思考這些問題——我們?nèi)绾螌⑦@些想法結(jié)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(dāng)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(shè)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(wěn)定。”Cho說。

在Cho和他的同事開發(fā)設(shè)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(wěn)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(yè)大規(guī)模生產(chǎn)相兼容。”

基于他們對其他實驗材料的物理和化學(xué)知識的了解，研究人員用合理的材料設(shè)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(jié)構(gòu)。

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(dāng)托馬斯愛迪生發(fā)明燈泡時，他嘗試了數(shù)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(dāng)今社會的重大工程問題，我們需要開發(fā)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(shù)。我們需要盡快找到解決辦法。”

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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