鋁材料在更安全更便宜更強(qiáng)大的電池方面表現(xiàn)出良好的性能

好的電池需要滿(mǎn)足兩個(gè)條件：為設(shè)備供電的高能量密度和穩(wěn)定性，因此可以安全可靠地充電數(shù)千次。在過(guò)去的三十年中，鋰離子電池一直占據(jù)主導(dǎo)地位，在智能手機(jī)、筆記本電腦和電動(dòng)汽車(chē)中證明了其性能。

【資料圖】

但電池研究人員已經(jīng)開(kāi)始接近鋰離子的極限。隨著下一代遠(yuǎn)程車(chē)輛和電動(dòng)飛機(jī)開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)，人們正在加緊尋找更安全、更便宜、更強(qiáng)大、性能優(yōu)于鋰離子電池的電池系統(tǒng)。

由喬治·W·伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院和材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授MatthewMcDowell領(lǐng)導(dǎo)的佐治亞理工學(xué)院研究小組正在使用鋁箔制造具有更高能量密度和更大能量的電池。穩(wěn)定。該團(tuán)隊(duì)的新電池系統(tǒng)在《自然通訊》中詳細(xì)介紹，可以使電動(dòng)汽車(chē)一次充電運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間，并且制造成本更低，同時(shí)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生積極影響。

麥克道爾說(shuō)：“我們一直在尋找能量密度更高的電池，這將使電動(dòng)汽車(chē)一次充電可以行駛更遠(yuǎn)的距離。”“有趣的是，我們可以使用鋁作為電池材料，因?yàn)樗哂谐杀拘б妗⒏叨瓤苫厥涨乙子谑褂谩！?/p>

用鋁制造電池的想法并不新鮮。研究人員在20世紀(jì)70年代研究了它的潛力，但效果不佳。

當(dāng)用于傳統(tǒng)的鋰離子電池時(shí)，由于鋰進(jìn)出材料時(shí)的膨脹和收縮，鋁會(huì)在幾次充放電循環(huán)內(nèi)破裂并失效。開(kāi)發(fā)人員得出的結(jié)論是，鋁不是一種可行的電池材料，因此這個(gè)想法基本上被放棄了。

現(xiàn)在，固態(tài)電池已經(jīng)進(jìn)入人們的視野。鋰離子電池含有可能導(dǎo)致火災(zāi)的易燃液體，而固態(tài)電池含有不易燃的固體材料，因此可能更安全。正如本研究所示，固態(tài)電池還可以集成新型高性能活性材料。

該項(xiàng)目最初是佐治亞理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)與領(lǐng)先的鋁制造商和全球最大的鋁回收商諾貝麗斯之間的合作，是佐治亞理工學(xué)院諾貝麗斯創(chuàng)新中心的一部分。研究小組知道，當(dāng)鋁用作電池陽(yáng)極(電池帶負(fù)電的一側(cè)，用于儲(chǔ)存鋰以產(chǎn)生能量)的材料時(shí)，將具有能源、成本和制造方面的優(yōu)勢(shì)，但純鋁箔在電池中測(cè)試時(shí)很快就會(huì)失效。。

該團(tuán)隊(duì)決定采取不同的方法。他們沒(méi)有在箔中使用純鋁，而是在鋁中添加了少量其他材料，以制造具有特定“微觀結(jié)構(gòu)”或不同材料排列的箔。他們測(cè)試了100多種不同的材料，以了解它們?cè)陔姵刂械谋憩F(xiàn)。

“我們需要采用一種材料來(lái)解決鋁作為電池陽(yáng)極的基本問(wèn)題，”博士YuhgeneLiu說(shuō)。麥克道爾實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生和該論文的第一作者。“與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，我們的新型鋁箔陽(yáng)極在固態(tài)電池中實(shí)現(xiàn)時(shí)性能和穩(wěn)定性顯著提高。”

佐治亞理工學(xué)院馬修·麥克道爾實(shí)驗(yàn)室制造的固態(tài)電池。圖片來(lái)源：佐治亞理工學(xué)院

研究小組觀察到，鋁陽(yáng)極比傳統(tǒng)陽(yáng)極材料可以?xún)?chǔ)存更多的鋰，因此可以?xún)?chǔ)存更多的能量。最終，他們創(chuàng)造了高能量密度電池，其性能可能優(yōu)于鋰離子電池。

“我們對(duì)鋁陽(yáng)極感到興奮的好處之一是它可以提高性能，而且非常具有成本效益，”麥克道爾說(shuō)。“最重要的是，當(dāng)直接使用箔作為電池組件時(shí)，我們實(shí)際上刪除了生產(chǎn)電池材料通常所需的許多制造步驟。”

多家公司正在開(kāi)發(fā)短程電動(dòng)飛機(jī)，但限制因素是電池。如今的電池?zé)o法容納足夠的能量來(lái)為飛機(jī)提供飛行距離超過(guò)150英里左右的動(dòng)力。需要新的電池化學(xué)物質(zhì)，麥克道爾團(tuán)隊(duì)的鋁陽(yáng)極電池可以為更強(qiáng)大的電池技術(shù)打開(kāi)大門(mén)。

“這些鋁箔陽(yáng)極的初步成功為發(fā)現(xiàn)其他潛在電池材料提供了新方向，”劉說(shuō)。“這有望為重新構(gòu)想更加能源優(yōu)化和更具成本效益的電池架構(gòu)開(kāi)辟道路。”

該團(tuán)隊(duì)目前正在努力擴(kuò)大電池的尺寸，以了解尺寸如何影響鋁的行為。該小組還積極探索其他材料和微觀結(jié)構(gòu)，目標(biāo)是為電池系統(tǒng)制造非常便宜的箔。

麥克道爾說(shuō)：“這是一個(gè)關(guān)于一種早已為人所知的材料的故事，但在電池開(kāi)發(fā)的早期就基本上被放棄了。”“但憑借新知識(shí)，結(jié)合新技術(shù)——固態(tài)電池——我們已經(jīng)找到了如何使這個(gè)想法煥發(fā)活力并實(shí)現(xiàn)真正有前途的性能。”

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