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對(duì)下一代電池的研究涉及到對(duì)可能釋放出重大性能提升的替代材料的持續(xù)試驗(yàn)，而一項(xiàng)新突破提供了一個(gè)引人注目的例子，它說明了這可能是什么樣子。來自荷蘭特文特大學(xué)的科學(xué)家們近日制造出了一種實(shí)驗(yàn)性鋰離子電池，它的特點(diǎn)是具有開放和規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)的新型電極設(shè)計(jì)，他們稱這可以讓充電速度達(dá)到今天設(shè)備的10倍。
我們知道，為今天的電動(dòng)汽車、智能手機(jī)和無數(shù)其他設(shè)備提供動(dòng)力的鋰離子電池有兩個(gè)電極，即陰極和陽極，而這項(xiàng)新研究的重點(diǎn)是后者。目前，這些陽極是由石墨制成，這在許多方面都有很好的作用，但它無法適應(yīng)超快的充電速度而不發(fā)生故障。
為此，科學(xué)家們正在尋找新的和改進(jìn)的陽極，其中一個(gè)地方是具有納米級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的材料。這種性質(zhì)的陽極有望跟運(yùn)輸鋰離子的液體電解質(zhì)擁有更大的接觸面積，并以此同時(shí)讓離子更容易擴(kuò)散到固體電極材料中，最終使得設(shè)備的充電速度快得多。
但到目前為止提出的材料也存在一些缺點(diǎn)。多孔納米結(jié)構(gòu)中通道的無序性和隨機(jī)性會(huì)導(dǎo)致這些結(jié)構(gòu)在充電過程中崩潰，同時(shí)還會(huì)降低電池的密度和容量并且會(huì)導(dǎo)致鋰在陽極表面堆積，進(jìn)而在每個(gè)循環(huán)中降低其性能。此外，這些材料的制造非常復(fù)雜，其涉及到苛刻的化學(xué)品并會(huì)產(chǎn)生大量的化學(xué)廢物。
特文特大學(xué)的科學(xué)家們認(rèn)為，他們已經(jīng)在一種叫做鈮酸鎳的材料中找到了合適的替代品。跟以往解決方案的不規(guī)則性質(zhì)不同，鈮酸鎳具有開放和規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)則擁有相同的、重復(fù)的離子傳輸通道。
研究人員將這種鈮酸鎳陽極集成到一個(gè)完整的電池單元中并測(cè)試了它的性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它提供的超快充電率比今天的鋰離子電池快9倍。他們還指出，鈮酸鎳比石墨更緊湊，因此具有更高的體積能量密度，這可能相當(dāng)于商業(yè)版本的電池更輕、更緊湊。
科學(xué)家們還報(bào)告稱，這種新陽極材料具有很高的容量，約為244 mAh g-1，并且由于鈮酸鎳在運(yùn)行過程中體積變化很小，其81%的容量在2萬個(gè)循環(huán)中得以保留。所有這些都是在不損害陽極材料的情況下發(fā)生的，而據(jù)稱鈮酸鎳的制造過程也比其他納米結(jié)構(gòu)材料要簡(jiǎn)單得多且不需要一個(gè)潔凈室來組裝。
根據(jù)研究人員的說法了解到，這些結(jié)果證明了鈮酸鎳陽極在實(shí)用電池設(shè)備中的儲(chǔ)能潛力。他們認(rèn)為，在電網(wǎng)應(yīng)用中，為需要快速充電的電動(dòng)機(jī)械提供動(dòng)力或在重型電動(dòng)汽車運(yùn)輸中都有直接的潛力。不過他們也表示，要看到它們適用于標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)汽車還需要進(jìn)一步研究和解決問題。
(原標(biāo)題：新型“開放式”結(jié)構(gòu)鋰電池材料使充電速度提高9倍)
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