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使用纳米线生产更安全、更强大的电池

工程技术使用纳米线生产更安全、更强大的电池

研究发现了一种使我们每天使用的电池变得更有弹性、更强大和更安全的方法。

今年是 2018 年,我们的日常生活现在由不同的小工具推动,这些小工具要么靠电力,要么靠电池。 我们对电池供电的小工具和设备的依赖正在显着增长。 一个 电池 是一种储存化学能并转化为电能的装置。 电池就像微型化学反应器,通过反应产生充满能量的电子,这些电子流经外部设备。无论是手机、笔记本电脑还是其他甚至电动汽车,电池——通常是锂离子——是这些技术的主要动力源。随着技术的不断进步,对更紧凑、高容量和安全的可充电电池的需求不断增加。

电池有着悠久而辉煌的历史。 美国科学家本杰明·富兰克林 (Benjamin Franklin) 于 1749 年首次使用“电池”一词,同时使用一组链接电容器进行电力实验。 意大利物理学家亚历山德罗·沃尔特 (Alessandro Volta) 于 1800 年发明了第一个电池,当时他将用浸泡在盐水中的布隔开的铜 (Cu) 和锌 (Zn) 圆盘堆叠在一起。 铅酸电池是最持久、最古老的可充电电池之一,发明于 1859 年,时至今日仍在许多设备中使用,包括车辆的内燃机。

电池已经走过了很长的路,今天它们有各种尺寸,从大兆瓦尺寸,所以理论上它们能够储存太阳能农场的电力并照亮迷你城市,或者它们可以像电子手表中使用的那样小,奇妙是不是。 在所谓的原电池中,产生电子流的反应是不可逆的,最终当其中一种反应物被消耗时,电池会变平或死亡。 最常见的一次电池是锌碳电池。 这些原电池是一个大问题,处理此类电池的唯一方法是找到一种可以重复使用它们的方法——这意味着使它们可充电。 更换新电池显然是不切实际的,因此随着电池越来越多 强大 而且大到几乎不可能更不用说更换和处理它们的成本很高。

镍镉电池 (NiCd) 是第一种流行的使用碱作为电解质的可充电电池。 1989年开发出比镍镉电池寿命更长的镍氢电池(NiMH),但也存在一些缺点,主要是对过充和过热非常敏感,特别是在充电到最大速率时。必须缓慢而小心地充电以避免任何损坏,并且需要更长的时间才能通过更简单的充电器充电。

锂离子电池 (LIB) 发明于 1980 年,是当今消费电子设备中最常用的电池。 锂是最轻的元素之一,它具有最大的电化学势之一,因此这种组合非常适合制造电池。 在 LIB 中,锂离子通过由盐和有机溶剂(在大多数传统 LIB 中)制成的电解质在不同电极之间移动。 从理论上讲,锂金属是电性最强的金属,具有非常高的容量,是电池的最佳选择。 当LIBs充电不足时,带正电的锂离子变成锂金属。因此,LIBs因其长寿命和高容量而成为各种便携式设备中最受欢迎的可充电电池。 然而,一个主要问题是电解液很容易蒸发,导致电池短路,这可能会引起火灾。 在实践中,LIB 确实不稳定且效率低下,因为随着时间的推移,锂的配置会变得不均匀。LIB 还具有低充电和放电率,安全问题使它们无法用于许多高功率和高容量机器,例如电动和混合动力电动汽车。 据报道,LIB 在极少数情况下表现出良好的容量和保留率。

因此,在电池世界中并非一切都是完美的,因为近年来许多电池被标记为不安全,因为它们着火、不可靠且有时效率低下。 全世界的科学家都在寻求制造体积小、可安全充电、更轻、更有弹性且同时更强大的电池。因此,重点已转移到固态电解质作为潜在的替代品。 科学家们已经尝试了很多选择,但稳定性和可扩展性一直是大多数研究的障碍。 聚合物电解质已显示出巨大的潜力,因为它们不仅稳定,而且灵活且价格低廉。 不幸的是,这种聚合物电解质的主要问题是它们的导电性和机械性能较差。

在最近发表在 ACS 上的一项研究中 纳米快报研究人员已经表明,通过向电池中添加纳米线,可以增强电池的安全性甚至许多其他特性,从而使电池变得更加优越。 中国浙江工业大学材料科学与工程学院的这组研究人员在他们之前的研究的基础上,制造了具有良好机械性能和导电性的硼酸镁纳米线。 在目前的研究中,他们检查了电池是否也适用于这种情况 纳米线 添加到固态聚合物电解质中。 固态电解质与 5、10、15 和 20 重量的硼酸镁纳米线混合。 可以看出,纳米线增加了固态聚合物电解质的导电性,与之前没有纳米线的电池相比,这使得电池更加坚固和有弹性。 这种电导率的增加是由于以更快的速度通过和移动通过电解质的离子数量增加。 整个装置就像一个电池,但增加了纳米线。 与普通电池相比,这显示出更高的性能和循环次数。 还进行了一项重要的易燃性测试,发现电池没有燃烧。 当今广泛使用的便携式应用,如手机和笔记本电脑,需要使用最大和最紧凑的存储能量进行升级。 这显然会增加剧烈放电的风险,并且由于需要小型电池,因此对于此类设备来说是可以管理的。 但随着电池的更大应用的设计和尝试,安全性、耐用性和功率变得极为重要。

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{您可以通过单击下面引用来源列表中给出的 DOI 链接来阅读原始研究论文}

来源(S)

盛奥等。 2018. 具有高离子电导率、优异机械性能和阻燃性能的 Mg2B2O5 纳米线多功能固态电解质。 纳米字母。 https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659

赛欧团队
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