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斯坦福锂电池研究欲将正极用纯锂打造

2014-07-31 10:24
PokerJoker
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  那些总为智能手机或平板电脑电池储电量太少而苦恼的人,现在不必纠结了!美国科学家已经发明一款纯锂电池,可让智能手机、电动汽车以及其他电子设备使用时间延长4倍,堪称“电池圣杯”。

  当前,使用锂离子电池的电子设备用户总是面临电池使用时间过短的困扰,几个小时内就要给设备充电,以免其电池电量耗光。现在经过多年研究,美国加州斯坦福大学的科学家发明一种纯锂电池,虽然电池体积没有变化,但其储存的电量却大幅增加,大大延长使用时间。

  所有电池都由三个部分组成,即提供电子的电解液、释放电子的正极以及接受电子的负极。而我们今天使用的锂离子电池,只是电解液中使用锂,而正极没有锂。斯坦福大学的科学家现在将正极也用纯锂制造,因为其不仅便宜、小巧,而且能大幅提高电池效用。

  科学家们发明了一种锂正极,由碳纳米球形成的薄膜加以保护,防止其在膨胀时裂开。碳纳米球可以形成类似蜂巢的外观,变成柔韧、均匀、无点抗性的薄膜,用以保护不稳定的锂。碳纳米球只有20纳米厚,它需要5000层互相堆叠才能有人类一根头发粗。

  斯坦福大学材料科学与工程学教授崔毅(音译)说:“锂金属正极的理想保护层需要在化学上保持稳定,以防其与电解液产生化学反应,同时需要在机械方面保持柔韧,足以抵制锂在充电过程中的膨胀力。”

  斯坦福大学的碳纳米球保护层由无定形碳制作,其具有化学稳定、柔韧性强的特性,在电池正常充电和放电过程中,可以自由地随锂的膨胀和收缩而移动。崔教授称:“在所有可用于正极的材料中,锂无疑具有最大潜力,有人甚至称其为‘圣杯’。这是一种超轻、能量密度超高的物质,按照单位体积和重量计算,锂可获得更多能量。为此可以用其制造重量更轻、体积更小而储电更多的电池。”

  另一名研究人员称:“许多工程师不得不放弃锂正极的研究,但我们发现保护锂的新方法。”崔教授也说:“实际上,如果我们能够提高电池储电量4倍,这是一项令人激动的成就。你的手机电池寿命可能延长2到3倍,电动汽车能跑480公里而成本只需25000美元。此外,这种新发明也可用于为下一代可充电电池。”

  大多数锂离子电池工作原理类似,如同智能手机或混合动力汽车上使用的。在充电过程中,电解液中带正电荷的锂离子被吸引到带负电荷的正极,并在那里积聚。今天,锂离子电池的正极都是石墨或硅制造。

  科学家们很想用锂制造正极,但直到现在依然无法实现。因为在充电过程中,锂离子聚集到正极时会膨胀。在所有正极材料中,包括石墨和硅,也会在充电时膨胀,但不像锂那样剧烈。研究人员认为,相对于其他材料来说,锂在充电时膨胀几乎是无限的。且其膨胀没有规律,容易在外部表层造成坑洼和裂缝,导致锂离子逃逸,进而造成电池短路或寿命缩短。

  但这只是用锂制造阳极的第一个挑战。第二个难题是,锂正极容易与电解液产生积极的化学反应,导致电解液消耗增加,电池寿命缩短。最后,在互相接触时,锂正极与电解液容易产生热量导致过热,引发起火甚至爆炸,因此安全性无法保证。而斯坦福大学的新发明将会一举解决这些问题。 

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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