改进电极材料MXene有望开辟可充电电池技术的未来

改进电极材料MXene有望开辟可充电电池技术的未来研究人员利用激光脉冲增强了MXene的电极特性，从而在可充电电池技术方面取得了潜在的突破，有望超越传统的锂离子电池。随着全球社会转向太阳能和风能等可再生能源，对高性能可充电电池的需求也在不断增加。这些电池对于储存来自间歇性可再生能源的能量至关重要。虽然当今的锂离子电池很有效，但仍有改进的余地。开发新的电极材料是提高其性能的方法之一。ZahraBayhan正在开发含有MXenes的电池，由于MXenes具有出色的导电性，它可以在某些电池中替代石墨。图片来源：©2023KAUST;AnastasiaSerinMXene：一种前景广阔的电极材料阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究人员展示了如何利用激光脉冲改变一种被称为MXene的前景广阔的替代电极材料的结构，从而提高其能量容量和其他关键性能。研究人员希望这一策略能有助于在下一代电池中设计出更好的阳极材料。石墨含有扁平的碳原子层，在电池充电过程中，锂原子会存储在这些碳原子层之间，这一过程被称为插层。MXenes也含有可容纳锂的层，但这些层是由过渡金属（如钛或钼）与碳或氮原子结合而成的，这使得这种材料具有很强的导电性。这些层的表面还含有氧或氟等其他原子。基于碳化钼的MXenes具有特别好的锂存储能力，但在反复充放电循环后，其性能很快就会下降。了解KAUST研究人员如何帮助开发新一代可充电电池。来源：©2023KAUST;AnastasiaSerin解决性能退化问题由HusamN.Alshareef和博士生ZahraBayhan领导的研究小组发现，这种降解是由MXene结构中形成氧化钼的化学变化引起的。为了解决这个问题，研究人员使用红外激光脉冲在MXene内形成碳化钼的小"纳米点"，这个过程被称为激光刻划。这些纳米点宽约10纳米，通过碳材料连接到MXene的层上。这样做有几个好处。首先，纳米点为锂提供了额外的存储容量，并加快了充放电过程。激光处理还降低了材料中的氧含量，有助于防止形成有问题的氧化钼。最后，纳米点与层之间的牢固连接提高了MXene的导电性，并在充放电过程中稳定了其结构。这为调整电池性能提供了一种经济、快速的方法。ZahraBayhan和HusamAlshareef教授认为，激光划线可以作为一种通用策略来改善其他MXenes的性能。图片来源：©2023KAUST;AnastasiaSerin有希望的结果和未来应用用这种激光刻划材料制作的阳极在锂离子电池中进行了1000次充放电循环测试。值得注意的是，与未改性的MXene相比，添加了纳米点的这种材料的蓄电能力提高了四倍，几乎达到了石墨的理论峰值容量。此外，这种激光改性材料在整个测试阶段都保持了其全部容量。研究小组认为，激光划线可作为一种通用策略，用于改善其他MXene的性能。这有助于开发新一代充电电池，例如使用比锂更便宜、更丰富的金属。Alshareef解释说："与石墨不同，MXenes还能夹杂钠离子和钾离子。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385677.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385677.htm

科学家们创造了一种可食用的可充电电池

科学家们创造了一种可食用的可充电电池它的灵感来自于生化氧化反应，这种反应在人类和所有其他动物的细胞中产生能量。该电池的阳极由核黄素（又称维生素B2）组成，而阴极由槲皮素制成。这两种物质都天然存在于各种植物和其他食物中。另外还使用活性炭来增加导电性。电解液是水基的，而分离器（阳极和阴极之间的渗透膜，防止短路）是由紫菜制成的，紫菜通常用于寿司。最后，两个食品级的金箔触点从阳极和阴极的蜂蜡涂层中伸出来。一旦充电，0.65伏的电池能够在12分钟内提供48微安的电流，或者在一个多小时内提供仅有的几微安。虽然这听起来可能不多，但据说它足以为小型电子设备供电，如低功率的LED。Caironi说："未来的潜在用途包括从可以监测健康状况的可食用电路和传感器到为监测食品储存条件的传感器供电。此外，考虑到这些电池的安全水平，它们可以用于儿童玩具，那里有很高的摄入风险。事实上，我们已经在开发具有更大容量的设备，并减少整体尺寸。"这项研究在最近发表于《先进材料》杂志的一篇论文中进行了描述。卡内基梅隆大学的科学家们之前开发了一种他们自己的可食用电池，它利用了人们的皮肤、头发和眼睛中天然存在的黑色素。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1354839.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1354839.htm

科学家展示锂金属电池设计：在空心多孔碳结构中储存离子以实现快速充电

科学家展示锂金属电池设计：在空心多孔碳结构中储存离子以实现快速充电据NewAtlas报道，韩国国家科技研究委员会的科学家们展示了一种很有前景的新电池结构，这种结构可以大大改善容量和充电时间。这一突破源于高密度锂金属电池的新设计，该设计仔细控制有问题的离子生长，使其能够在数百次循环中保持功能。目前使用的锂电池有一个由石墨制成的阳极组件，但如果科学家们能够使用纯金属锂来代替，这将标志着能源储存技术的巨大飞跃。这是因为锂金属的理论容量约为石墨的10倍，约为3860mAh/g，而石墨为372mAh/g，这将使电动汽车在每次充电后行驶得更远，或者使智能手机能够运行一周时间。但是，这些电池通过不同的化学反应产生能量，而这些反应带来了另一组需要解决的问题。随着锂金属电池的循环，锂离子在阳极表面不均匀地生长，形成被称为枝晶的结构。这些突起会导致阳极膨胀，电池短路或起火。大量的研究都集中在解决这个问题上。这项新研究的作者用一种具有空心的多孔碳结构来解决这个问题，作为阳极。这些被称为Li-confinablecore–shellhosts的结构被认为是这一领域令人振奋的前景，它们能够在循环过程中通过将锂存放在空心中来防止枝晶生长和体积膨胀。然而，它们确实在另一个方面存在着不良的电化学性能，在操作过程中仍然在结构的表面形成不良的锂生长，这就是所谓的顶部电镀。该团队已经为这些结构开发了一种新的设计，在中空核心中加入了少量的金纳米粒子。这些颗粒对锂离子有亲和力，因此能够控制它们的生长方向，将它们诱入核心，同时还在外壳中形成纳米级的孔隙，进一步促进锂离子向空心中心迁移。这有助于防止枝晶生长和顶部电镀，由此产生的电池设计在该团队的模拟实验中显示出巨大的潜力。在高电流充电条件下，锂离子沉积被保持在结构内，并使其在高电流密度下的500次充电循环中保持82.5%的容量。研究小组认为，这种寿命和对高电流密度的耐受性指向了一种高容量的电池，它还可以快速充电。领导该研究小组的ByungGonKim博士说：“尽管有高容量的优点，锂金属电池在商业化方面还有许多障碍需要克服，主要是由于稳定性和安全性问题。我们的研究是非常有价值的，因为我们开发了一种大规模生产具有高库仑效率的锂金属储能器的技术，用于快速充电的锂金属电池。”该团队正在努力使该电池技术商业化，但首先需要开发一种兼容的电解质溶液，以便在使用过程中传输离子。该研究发表在《ACSNano》杂志上。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1309939.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1309939.htm

不仅仅是储存电力 科学家开发出两用可充电电池

不仅仅是储存电力科学家开发出两用可充电电池可充电电池将电能储存在电极材料中，而氧化还原液流电池则使用储存在连接电极的储液罐中的化学物质。科学家们最近设计出了一种混合电池系统，它不仅能储存和提供电能，还能在流动系统中生成有用的化学物质。在使用过程中，糠醛-氢氧化镍电池可将生物质来源的糠醛转化为糠醇或糠酸。糠醛是一种由农业生物质中常见的戊糖形成的小分子，被认为是一种重要的平台化学品，可以从中获得多种中间体，用于各种用途。它可以被氧化成糠醛酸，糠醛酸是一种食品防腐剂，也是合成药物和香料的中间体。糠醛还原后可转化为糠醇，是树脂、香料和药物的前体。段浩宏和来自中国北京清华大学的研究团队现已成功地在混合液流电池的运行过程中获得了这两种增值化学品，从而提高了电池系统的成本效益。标准的可充电电池在充电时将电能储存在电极中，并在放电时将电能输入电路。另一种电池类型是氧化还原液流电池，它将电能储存在化学物质中，化学产物在两种状态之间循环，并留在电池中。结合这两个概念，研究人员调查了这种电池在储存或提供能量的同时能够产生额外化学物质的程度。突破性进展是阳极的双功能金属催化剂。这种催化剂由铑-铜单原子合金制成，在电池充电时能顺利地将电解液中的糠醛转化为糠醇，而在电池放电时则形成糠酸。在阴极方面，研究人员发现了一种掺钴氢氧化镍材料，类似于传统镍锌电池或镍氢电池中使用的阴极材料。这种电池组件形成了一个真正的两用电池系统：在充电（使用太阳能电池）后，四个串联的混合电池能够运行各种设备，包括LED灯和智能手机，同时在电池循环过程中不断产生糠醇和糠酸，这些化学物质通过一个流动系统被带走。作者发现，这种新型混合电池在能量密度和功率密度方面可与一些普通电池相媲美，但它能同时提供电能和增值化学品。在储存1千瓦时能量的同时，可生产0.7千克糠醇，而当系统提供0.5千瓦时的能量时（一台冰箱可在此能量下运行几个小时），可生产1千克糠酸。不过，糠醛会不断进入系统，必须将产品与电解液分离。该团队的混合概念朝着提高可充电电池的可持续性和成本效益迈出了一步，但仍需进一步发展这一概念。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380745.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380745.htm

科学家找出导致电池故障的幽灵般的元凶：软短路

科学家找出导致电池故障的幽灵般的元凶：软短路阿贡团队的研究重点是全固体电池，其阳极（负极）由锂金属制成。许多人将这种设备视为电池技术的"圣杯"。为什么这么说呢？因为锂金属可以在很小的空间内储存大量电荷。这意味着，与传统的石墨阳极锂离子电池相比，它能使电动汽车的行驶里程更长。然而，锂金属会与传统电池中的液态电解质发生高度反应，这给操作带来了挑战。电解质是在电池的两个电极之间移动被称为离子的带电粒子的材料，可将储存的能量转化为电能。正常工作的电池放电时，离子从阳极通过电解质流向阴极（正极），与此同时，电子从阳极流向外部设备（如手机或电动汽车电机），然后返回阴极。电子流为设备供电。当电池充电时，电子流会反向流动。锂金属的使用往往会破坏这一过程，在充电过程中，锂枝晶会从阳极生长出来并渗入电解液。如果这些枝晶长得足够大并一直延伸到阴极，它们就会在电极之间形成一条永久性的"导线"。最终，电池中的所有电子都会通过这根线从一个电极流向另一个电极，而不会流出电池为设备供电，这一过程也会阻止离子在电极之间流动。"这就是所谓的内部短路，"阿贡博士后、团队首席研究员迈克尔-坎尼汉（MichaelCounihan）说，电池发生故障后就不再为设备供电。将锂金属阳极置于固态电池中（换句话说，就是使用固态电解质的电池），有可能减少与枝晶相关的挑战，同时还能保留锂的优点。阿贡团队正在开发一种用于电动汽车电池的新型固体电解质，并注意到了一种不寻常的行为。"当我们在实验室中操作电池时，我们观察到了非常小、非常短暂的电压波动，"Counihan说。我们决定进行更深入的研究。研究人员对电池进行了数百小时的反复充电和放电，并测量了电压等各种电气参数。研究小组确定，电池正在经历软短路，这是一种微小的暂时性短路。软短路时，枝晶会从阳极向阴极生长。但增长量比永久短路时要小。一些电子留在电池内部，另一些则可能流向外部设备。电极之间的离子流可能会继续流动。所有这些流动都会发生很大的变化。研究小组与阿贡计算专家合作开发了模型，用于预测软短路过程中的离子流和电子流数量。这些模型考虑到了枝晶尺寸和电解质特性等因素。带有软短路的电池可以持续工作数小时、数天甚至数周。但阿贡研究小组发现，随着时间的推移，枝晶的数量通常会增加，最终导致电池失效。Counihan说："软短路是通向电池永久故障悬崖的第一步。"动态行为研究小组的进一步研究发现，软短路具有非常动态的行为。它们往往在短短的微秒或毫秒内形成、消失和重组。Counihan说："这对电池研究人员来说是一个重要的启示。在实验室进行典型的电池测试时，研究人员可能每隔一分钟左右才测量一次电压。在这段时间里，电池可能会错过成千上万软短路的形成和死亡。它们就像一个个小幽灵，在不知不觉中破坏着电池。"软短路最常见的原因是发热。当电子流经枝晶时，会产生热量，类似于家用电器电线的发热，热量会迅速融化，尤其是在周围电解液具有隔热性能的情况下。当枝晶与某些电解质发生反应时，软短路就会溶解，阿贡研究小组正在研究的某些固体电解质会在枝晶到达阴极之前将其切断，从而导致内部短路。在对软短路进行广泛研究的过程中，阿贡团队开发并演示了几种检测和分析软短路现象的新方法。例如，一种方法可以量化软短路对电池电流阻力的影响程度。由于不同的电池组件都可能造成这种阻力，因此分离出软短路造成的阻力可以帮助研究人员更好地评估电池的健康状况。这项研究最近发表在《焦耳》（Joule）杂志上，其中包括近20种检测和分析技术。其中约三分之一的方法来自该团队最近的研究。研究报告的作者从研究界非正式的、未发表的知识中收集了其他方法。Counihan说："我们意识到，文献中没有一篇论文使用了其中两种以上的技术。为了让这份清单对研究人员更有用，我们加入了关于每种方法优缺点的信息。由于软短线的动态性很强，因此对于研究人员来说，有很多工具可以使用，以便更好地了解软短线的影响。"研究小组希望为世界各地的研究人员提供有关软短路的见解，为他们的工作提供参考。例如，论文中的技术可以帮助推进阻止枝晶生长的硬固体电解质的设计。Counihan说："当研究人员了解电池中软短路的动态时，他们就能更好地改进材料，避免这些失效途径。"参考文献：MichaelJ.Counihan、KanchanS.Chavan、PallabBarai、DevonJ.Powers、YuepengZhang、VenkatSrinivasan和SanjaTepavcevic合著的《固态电池研究中动态软短路的幽灵威胁》，2023年12月6日，《焦耳》。DOI:10.1016/j.joule.2023.11.007编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1418235.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1418235.htm

科学家开发出需要稀有材料更少的电池 充电更快、寿命更长

科学家开发出需要稀有材料更少的电池充电更快、寿命更长研究人员通过开发快速充电功能和使用有机材料增强负极，减少了对稀有非欧洲材料的依赖，从而推动了纳离子电池技术的发展。此外，他们还改进了阴极，创造出一种高能量、快速充电、无钴的材料，这种材料在使用过程中会逐渐发生结构变化，因此寿命更长。资料来源：代尔夫特理工大学这些电极可由有机材料制成，这减少了对并非来自欧洲的稀有材料的依赖，优点在于阴极也得到了改进。代尔夫特的研究人员还改进了另一面，并发表了相关文章。这项研究最近发表在《自然-可持续性》杂志上。《用于钠离子电池的快充高压分层阴极》详细介绍了一种新型正极的开发情况，其设计原理源自他们于2020年发表在《科学》杂志上的论文。根据这些设计原则，我们设计了一种材料，它结合了两种可能的最佳结构：高能量密度与快速充电。此外，这种材料在充电和放电过程中会逐渐改变其结构，从而延长其使用寿命。此外，这种材料不含钴，而钴在锂离子阴极中仍然很常见。由于对这些电池材料的了解不断加深，第三个增长基金项目"可持续电池技术"的下一步工作已经准备就绪。在该项目中，除了锂离子电池研究外，还将在全国范围内开展纳离子电池研究。电池研究将进一步扩大，使这项技术能够应用于各国市场。参考文献：DOI:10.1038/s41893-024-01266-1编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1421389.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1421389.htm