隨著現(xiàn)代技術(shù)(尤其是電動(dòng)汽車)越來(lái)越多地使用可充電電池,研究人員一直在尋找鋰離子替代材料,以用于可充電電池。據(jù)外媒報(bào)道,圣路易斯華盛頓大學(xué)麥凱維工程學(xué)院(McKelvey School of Engineering)的材料科學(xué)家們,在氟中發(fā)現(xiàn)一種潛在的鋰替代品。氟是一種儲(chǔ)量相對(duì)豐富的輕質(zhì)元素。
有趣的是,氟離子與鋰離子正好相反,對(duì)電子的吸引力最強(qiáng),很容易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。日本的研究人員也在進(jìn)行測(cè)試,在汽車中將氟離子電池作為鋰離子電池的可能替代品。據(jù)介紹,使用這些電池,可以使電動(dòng)汽車單次充電運(yùn)行1000公里。然而,現(xiàn)有氟離子電池的循環(huán)性能較差,經(jīng)過(guò)充放電循環(huán)過(guò)程,往往會(huì)迅速降解。
研究人員Steven Hartman和Rohan Mishra采用新方法設(shè)計(jì)氟離子電池。他們發(fā)現(xiàn)兩種材料,很容易獲得或失去氟離子,在實(shí)現(xiàn)良好循環(huán)性的同時(shí)結(jié)構(gòu)變化很小。機(jī)械工程和材料科學(xué)系的助理教授Mishra表示,這些新電池材料均為層狀電子化合物。
電子化合物是一種相對(duì)較新的材料,可以像普通金屬一樣傳導(dǎo)電子,但與金屬中的“電子?!辈煌ń饘僦械碾娮臃稚⒃谡麄€(gè)晶體中),在電子化合物中,電子駐留在晶體結(jié)構(gòu)中的特定間隙位置,這有點(diǎn)類似于離子。Mishra表示:“根據(jù)我們的預(yù)測(cè),氟離子可以很容易地取代這些間隙電子,而不會(huì)導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變形,從而實(shí)現(xiàn)可循環(huán)性。此外,由于層狀電子化合物的結(jié)構(gòu)相對(duì)開放,氟離子可以輕松地移動(dòng)或擴(kuò)散?!?/P>
材料科學(xué)與工程學(xué)院的校友Hartman利用量子力學(xué)計(jì)算方法,對(duì)數(shù)十個(gè)潛在電池候選項(xiàng)進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)計(jì)算機(jī)化測(cè)試,將氟化物引入層狀電子化合物氮化二鈣鈣和次碳化釔的間隙中,使其儲(chǔ)能能力接近鋰離子電池。以氮化二鈣為例,它由相對(duì)豐富的元素組成,有助于克服目前鋰離子電池存在的供應(yīng)不足問(wèn)題。
Hartman與Mishra團(tuán)隊(duì)就彼此的研究工作進(jìn)行比照,后者利用機(jī)器學(xué)習(xí)“大數(shù)據(jù)”技術(shù)來(lái)篩選數(shù)千種候選項(xiàng)。Hartman表示:“原則上,你可以通過(guò)在常規(guī)電極中大量加入氟離子來(lái)提高電荷儲(chǔ)量。然而,實(shí)際上這些理論容量很難控制。當(dāng)我們往常規(guī)電極中加入氟化物時(shí),它們會(huì)在充放電時(shí)急劇膨脹和收縮,有可能導(dǎo)致破裂和失去電接觸?!?/P>
對(duì)于制造耐用的氟化物電池而言,盡可能減少體積和形狀變化至關(guān)重要。Hartman表示:“據(jù)我們推測(cè),在層狀電子化合物材料中,添加和去除氟離子可以使結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯較小的結(jié)構(gòu)變化,有助于延長(zhǎng)循環(huán)壽命?!?/P>
Mishra的實(shí)驗(yàn)室正在尋求與其他研究人員合作,以合成本項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)的電子化合物,并在原型電池中進(jìn)行測(cè)試。
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