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美研发石墨烯表面锂离子交换电池 充电仅需一分钟  

2011-11-10 10:09:16|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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美研发石墨烯表面锂离子交换电池 充电仅需一分钟 - 驰奔 - --COXEM有限公司 中国代表处--
美研发石墨烯表面锂离子交换电池 充电仅需一分钟 - 驰奔 - --COXEM有限公司 中国代表处--美研发石墨烯表面锂离子交换电池 充电仅需一分钟 - 驰奔 - --COXEM有限公司 中国代表处--
  
一种看起来怎么也和电池搭不上界的物质,成了突破电池技术瓶颈的关键。美国俄亥俄州Nanotek仪器公司的研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出一种新型储能设备,可以将充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。该研究发表在近期出版的《纳米快报》上。

  电池充电性能成为电动车发展的最大挑战

  众所周知,电动汽车因其清洁节能的特点而被视为汽车的未来发展方向,但电动汽车的发展面临的主要技术瓶颈就是电池技术。这主要表现在以下几个方面:一是电池的能量储存密度,指的是在一定的空间或质量物质中储存能量的大小,要解决的是电动车充一次电能跑多远的问题。二是电池的充电性能。人们希望电动车充电能像加油一样,在几分钟内就可以完成,但耗时问题始终是电池技术难以逾越的障碍。动辄数小时的充电时间,让许多对电动车感兴趣的人望而却步。因此,有人又将电动车电池的充电性能称为电动车发展的真正瓶颈。

  目前在电池技术上主要采用的是锂电池和超级电容技术,锂电池和超级电容各有长短。锂离子电池能量储存密度高,为120瓦/公斤到150瓦/公斤,超级电容的能量储存密度低,为5瓦/公斤。但锂电池的功率密度低,为1千瓦/公斤,而超级电容的功率密度为10千瓦/公斤。目前大量的研究工作集中于提高锂离子电池的功率密度或增加超级电容的能量储存密度这两个领域,但挑战十分巨大。

  新研究通过采用石墨烯这种神奇的材料,绕过了挑战。石墨烯因具有如下特点成为新储能设备的首选:它是目前已知导电性最高的材料,比铜高五倍;具有很强的散热能力;密度低,比铜低四倍,重量更轻;表面面积是碳纳米管两倍时,强度超过钢;超高的杨氏模量和最高的内在强度;比表面积(即单位质量物料所具有的总面积)高;不容易发生置换反应。

  新设备让电动车不到1分钟充满电

  新储能设备又称为石墨烯表面锂离子交换电池,或简称为表面介导电池(SMCS),它集中了锂电池和超级电容的优点,同时兼具高功率密度和高能量储存密度的特性。虽然目前的储能设备尚未采用优化的材料和结构,但性能已经超过了锂离子电池和超级电容。新设备的功率密度(即电池能输出最大的功率除以整个燃料电池系统的重量或体积)为100千瓦/公斤,比商业锂离子电池高100倍,比超级电容高10倍。功率密度高,能量转移率就高,充电时间就会缩短。此外,新电池的能量储存密度为160瓦/公斤,与商业锂离子电池相当,比传统超级电容高30倍。能量储存密度越大,存储的能量就越多。

  SMC的关键是其阴极和阳极有非常大的石墨烯表面。在制造电池时,研究人员将锂金属置于阳极。首次放电时,锂金属发生离子化,通过电解液向阴极迁移。离子通过石墨烯表面的小孔,到达阴极。在充电过程中,由于石墨烯电极表面积很大,大量的锂离子可以迅速从阴极向阳极迁移,形成高功率密度和高能量密度。研究人员解释说,锂离子在多孔电极表面的交换可以消除嵌插过程所需的时间。在研究中,研究人员准备了氧化石墨烯、单层石墨烯和多层石墨烯等各种不同类型的石墨烯材料,以便优化设备的材料配置。下一步将重点研究电池的循环寿命。目前的研究表明,充电1000次后,可以保留95%容量;充电2000次后,尚未发现形成晶体结构。研究人员还计划探讨锂不同的存储机制对设备性能的影响。

  研究表明,在重量相同的情况下,仅以尚未优化的SMC替代锂离子电池,SMC或锂离子电池电动车的驾驶距离相同,但SMC的充电时间不到一分钟,而锂离子电池则需要数小时。研究人员相信,优化后SMC的性能会更好。

  如果今后电动汽车广为流行,充电站设置在加油站,其结果将会出现一幅十分有趣的情景,那就是电动车的充电时间将比加油还要快,而且比加油还便宜。研究人员表示,除了电动汽车外,该设备还可用于再生能源储存(如储存太阳能和风能)和智能电网。

       美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的研究人员已经创造了一种石墨烯和锡的纳米复合材料,使可再生锂离子电池可高容量储能。把锡夹在石墨烯薄片之间,研究人员就制成了一种新的轻型“三明治”结构,可以提高电池的性能。

“对于电动汽车而言,您需要一种轻巧的电池,可以迅速充电,而且经反复使用后,仍可保持充电容量,”张粤港(Yuegang Zhang)说,他是伯克利实验室分子铸造部(Molecular Foundry)研究员,在无机纳米结构所(Inorganic Nanostructures Facility),领导这项研究。“这里,我们已经展示的,是合理设计的纳米级结构,不需要添加剂或粘结剂就可以运行,可提高电池性能。”

石墨烯是一种单原子厚的“鸡线”晶格状碳原子,具有非凡的电子和机械性能,远远超过硅和其它传统半导体材料。以前的石墨烯研究中,张粤港和他的同事强调了电子设备的应用。

在这项研究中,这个小组组装分层交替的石墨烯和锡,创造了一种纳米复合材料。要创造这种复合材料,一层锡薄膜就要被沉积到石墨烯上。接下来,另一层石墨烯片被转移锡薄膜上。重复此过程,就可制成一种复合材料,然后,在氢气和氩气环境中,把它加热到300摄氏度(572华氏度)。在这一热处理期间,锡薄膜会转化成一系列柱子,增加了锡层的高度。

“从锡薄膜形成这些纳米柱,对于这一系统而言是非常特别的,我们发现,上下层石墨烯之间的距离也随之改变,以适应锡层的高度变化,”纪李文(Liwen Ji)说,他是铸造部的博士后研究员。纪李文为主要作者,张粤港为通信作者的一篇论文,报道了这一研究,发布在杂志《能源和环境科学》(Energy and Environmental Science)上。

在这些新的纳米复合材料中,石墨烯层间高度的变化,有助于电池的电化学循环过程,因为锡的体积变化提高了电极的性能。此外,这个可调节的行为,意味着电池可迅速反复充电,不会退化,这对于电动汽车充电电池而言是关键的。

“我们在伯克利实验室有一个很大的电池计划,我们能够制造高度可循环的电池单元.。通过我们与碳循环2.0(Carbon Cycle 2.0)计划的互动,材料科学部的研究人员得益于优质电池设施和人员,加之,我们了解到了用什么制备更好的电极,”联合作者巴塔利亚(Battaglia)说,他是伯克利实验室环境与能源技术部高级能源技术部门的项目经理。“作为回报,我们有一个窗口,可以让开发下一代材料的科学家们谈谈这些要求。”


来源:中国储能网

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