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新型锂硫电池突破高能和寿命“瓶颈”已有1人参与
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新型锂硫电池突破高能和寿命“瓶颈” 通过堆叠柔性厚电极制造出1000毫安时袋式锂硫电池原型。图片来源：韩国电气研究所 科技日报北京1月22日电（记者刘霞）韩国电气研究所下一代电池研究中心的科学家，成功攻克锂硫电池在能量密度和循环寿命方面的关键技术瓶颈，研制出一款具有高能量密度和长循环寿命的大面积锂硫电池原型。研究论文发表于《先进科学》杂志。 锂硫电池以硫为正极，金属锂为负极，理论能量密度是锂离子电池的8倍多，极具应用潜力。此外，锂硫电池使用储量丰富的硫元素而非昂贵的稀土元素，不仅成本低廉，而且环保。轻便耐用的锂硫电池被视为是交通领域的关键技术。 然而，锂硫电池在充放电过程中会产生多硫化锂这一中间物质。多硫化锂会在电池的正负极之间穿梭，引发不必要的化学反应，从而降低电池的寿命和性能。这一直是锂硫电池商业化道路上的绊脚石。 为攻克这一难题，研究团队让单壁碳纳米管（SWCNT）与氧官能团“强强联手”。SWCNT是一种强度超过钢、电导率与铜相当的新材料，而氧官能团则增强了SWCNT在电池内的分散性。SWCNT和氧官能团的结合稳定了电极，有效控制了多硫化锂的溶解和扩散，显著减少了活性材料硫的损失。同时，SWCNT的高柔韧性和氧官能团的亲水性使得电极在制造过程中能形成均匀且光滑的表面，有助设计并制造出大面积且高容量的电池。 研究团队制造出尺寸为50毫米×60毫米的柔性厚电极，并组装成1000毫安时袋式锂硫电池原型。测试结果显示，该原型性能优异，即使经过100次充放电循环，仍能保持85%以上的容量。 最新技术不仅解决了锂硫电池的技术难题，还实现了大面积、高容量柔性电极的设计和原型开发，为下一代锂硫电池的商业化应用奠定了坚实基础。 |
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韩国汉阳大学研究人员设计出新型锌空气袋式电池 可用于电动汽车 盖世汽车 刘丽婷 2021-05-21 09:34:55 盖世汽车讯 锌空气电池（ZAB）因其诸多优势被认为是极具潜力的下一代电池技术。该种电池采用独特的半开式结构，并具有超高理论能量密度（在含氧和不含氧的情况下分别为1,036 Wh kg-1和1,370 Wh kg-1）、柔性电极和固有的水性电解质。此外，与电池中的其他材料相比，锌（Zn）对环境的危害较小，并且存储量更丰富。 据外媒报道，近日，韩国汉阳大学的研究人员设计出一种新型锌空气袋式电池，其性能优于市面上的其他电池。该袋式电池采用（101）-小平面磷化铜[CPS（101）]作为阴极、抗冻性壳聚糖生物纤维素作为超离子导体电解质，以及采用图案化的Zn作为阳极。 ? 研究人员之一Jung-Ho Lee表示：“之前采用液体（6毫升KOH氢氧化钾）电解质的ZAB均以失败告终，其原因是氧化还原和析氧反应（ORR / OER）的动力学缓慢，以及在宽温度下伴随着寄生反应的Zn的不可逆性。受该特点启发，我们开发出固态电解质，例如功能化的生物纤维素，从而能够有效地转移OH-离子，而不会发生寄生反应。” 之前的工作中，Lee及其同事创建出基于FBN（纤维蛋白）的电解质，其在室温下可显示出64 mS cm-1的高离子电导率。但是，研究人员发现，由于与水冻结和体积膨胀相关问题，该电解质在零度以下和高温情况下会失去作用。 因此，研究人员建议使用壳聚糖细菌纤维素（CBC）作为阴离子交换的固态电解质。该电解质主要由生物纤维素和壳聚糖组成，然后交联2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基（TEMPO）和1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷（DBO）季铵键。 Lee表示：“我们采用了两个关键过程，TEMPO氧化和DBO季铵化，可显著改善电池的抗冻特性，以及抗溶胀性、交联相容性和抗离子性。CBC内部还存在水，且可进行转移。但其形式是是分子水，而不是液态水。因此，即使在-20°C的温度下，我们也可以获得出色的电池性能和良好的稳定性。” Lee及其同事还制造出基于CBC的膜电解质。该电解质使用氢氧化物溶液进行离子交换，从而显示出比常规碱性电解质更低的pH值。研究人员制备的纳米纤维CPS（101）是专门为囊袋细胞应用而合成。 Lee表示：“由于CPS（101）的最佳化学计量比为C：P：S = 1：0.5：0.5，因此化学计量比的变化会严重影响电池运行期间的电化学性能。磷和硫阴离子在空间上与铜阳离子具有同等配位（相同数量的Cu-S和Cu-P键）共轭，并在之后的循环中保留相当稳定的短程和长程有序结构。” 在该锌空气袋式电池运行期间，如果FBN膜无法形成固体电解质中间相（SEI），则CBC会生成坚固的SEI层，从而延长循环寿命。此外，CBC还会保护阳极表面免受腐蚀和产生副反应。与使用水性电解质或其他固态电解质的电池相比，该锌空气电池可以延长循环时间。 Lee还称：“室温下，锌空气电池优异电导率（86.7 mS cm-1）为目前氢氧根超导体的最高值，相当于商用A201的两倍。即使在干燥的-20℃的低温下，也可以简单地浇铸5 ?m、900 cm2的CBC膜，并具有出色的机械稳定性，而FBN、A201或聚砜则容易降解成小碎片。” 下一代电池的一般要求是：电芯组级能量密度> 300 Wh kg-1、75美元kWh-1、可在15分钟内充满电（至少充至80％），以及可在超宽温度范围内运行。为了上述要求，电池设计人员必须克服一系列限制，同时还要确保电池安全、电化学/机械稳定，此外还可由丰富且易于回收利用的材料制成。 Lee表示：“大多数锌空气电池都遵循5-10％放电深度（DOD）的浅循环，其电池能量无法和锂离子电池相比。尽管之前很少有报告保留35 mWh cmgeo-2所需的面积能量，但它们的循环寿命被限制在100次以下，而DOD被限制在5-10%。要想获得120 Wh kg cell-1的特定能量，DOD需要至少为20%，然而之前的电池并没有遵循商用电池所需的最低标准。” Lee表示：“通过优化电芯参数，我们的袋式电池在电流密度为25 mA cm-2的情况下，以70％DOD的350次循环显示出最高的电池级能量密度523±15 Wh kgcell-1（体积能量密度为1609±35 Wh l-1）。此外，我们还表明，通过采用双极堆叠技术（增加堆叠数量），在约20 Ah的袋式电池容量下，体积能量密度可以进一步提高至1800 Wh L-1。每次充电可支持续航里程800-900英里，且在15分钟内充至100％，里程耐久性达到约100万英里。” 经进一步测试后，新型锌空气袋式电池可实现大规模生产。Lee和他的同事们表示该电池还可被用于为无人机、电动汽车或电动短途飞机提供动力。 Lee补充说：“我们现在正在简化CPS（空气阴极）和CBC（固体电解质）的合成配方，从而扩大生产规模。我们的ZAB工作温度为-20至80℃，但我们正试图扩大其工作温度范围。此外，我们将考虑使用铝替代锌来评估铝空气电池的潜力。” *特别声明：本文为技术类文章，禁止转载或大篇幅摘录！违规转载，法律必究。 本文地址：https://auto.gasgoo.com/news/202105/21I70255633C409.shtml 发自小木虫手机客户端 |
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