科学家开发出无钴低成本电池生产技术

科学家开发出无钴低成本电池生产技术锂陶瓷可作为固体电解质，用于功率更大、成本效益更高的新一代可充电锂离子电池。目前的挑战是找到一种无需高温烧结的生产方法。在最近发表在《AngewandteChemie》杂志上的一篇论文中，一个研究小组介绍了一种无烧结方法，用于高效、低温合成导电结晶形式的此类陶瓷。有两个因素主导着电动汽车电池的发展：一是功率，功率决定了汽车的续航里程；二是成本，成本是与内燃机竞争的关键。美国能源部旨在加快从汽油车向电动车的过渡，并制定了到2030年降低生产成本和提高电池能量密度的宏伟目标。传统的锂离子电池无法实现这些目标。要制造出体积更小、重量更轻、功率更大且更安全的电池，一种极具前景的方法是使用固态电池，其阳极由金属锂而非石墨制成。传统的锂离子电池采用液态有机电解质，并用聚合物薄膜分隔阳极和阴极，而固态电池的所有组件都是固体。薄陶瓷层同时充当固体电解质和隔膜。它能有效防止锂枝晶生长和热失控造成的危险短路。此外，陶瓷电解质不含易燃液体。适用于高能量密度电池的陶瓷电解质/分离器是石榴石型锂氧化物Li7La3Zr2O12-d（LLZO）。这种材料必须与阴极一起在1050°C以上的温度下烧结，才能将LLZO转变为快速导锂的立方晶相，使其充分致密，并与电极牢固结合。然而，超过600°C的温度会破坏可持续的低钴或无钴正极材料的稳定性，同时也会增加生产成本和能耗。我们需要更经济、更可持续的新生产方法。由美国麻省理工学院（剑桥）和德国慕尼黑工业大学的珍妮弗-鲁普（JenniferL.M.Rupp）领导的团队现已开发出这样一种新的合成工艺。他们的新工艺不是基于陶瓷前体化合物，而是基于液态前体化合物，通过连续分解合成法直接致密形成LLZO。为了优化这条合成路线的条件，Rupp和她的团队使用多种方法（拉曼光谱、动态差示扫描量热仪）分析了LLZO从无定形到所需晶体（cLLZO）的多步相变，并绘制了一张时间-温度-转变图。根据他们对结晶过程的深入了解，他们开发出了一种方法，在相对较低的500°C温度下退火10小时后，cLLZO就会变成致密的固态薄膜--无需烧结。在未来的电池设计中，这种方法可以将固体LLZO电解质与可持续阴极相结合，从而避免使用钴等对社会经济至关重要的元素。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1392297.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1392297.htm

科学家运用咖啡显著提高燃料电池的效率

科学家运用咖啡显著提高燃料电池的效率在全球努力摒弃化石燃料的过程中，燃料电池成为一种无碳排放的显著能源。这些电池由阳极和阴极组成，并由电解质隔开，直接将燃料的化学能转化为电能。燃料被送入阳极，氧化剂（通常是空气中的氧气）被送入阴极。在氢燃料电池中，氢在阳极发生氧化，产生氢离子和电子。离子通过电解质移动到阴极，电子则流经外部电路，产生电能。在阴极，氧气与氢离子和电子结合，产生水作为唯一的副产品。然而，水的存在会影响燃料电池的性能。它与铂（Pt）催化剂发生反应，在电极上形成一层氢氧化铂（PtOH），阻碍了氧还原反应（ORR）的有效催化，导致能量损失。为了保持高效运行，燃料电池需要较高的铂负载，这大大增加了燃料电池的成本。但新的研究发现，咖啡因通过提高氧还原反应的活性可以改善燃料电池的性能。咖啡因在定义明确的铂单晶电极上的吸附结构，以及咖啡因改性前（蓝色条）和改性后（橙色条）燃料电池空气电极的活性。资料来源：千叶大学教授NagahiroHoshi在最近发表于《通讯化学》（CommunicationsChemistry）杂志上的一项研究中，NagahiroHoshi教授与日本千叶大学工程研究生院的MasashiNakamura、RyutaKubo和RuiSuzuki发现，在某些铂电极中添加咖啡因可以提高ORR的活性。这一发现有可能减少对铂的需求，使燃料电池更经济、更高效。Hoshi教授说："咖啡因是咖啡中含有的化学物质之一，在原子排列呈六角形结构的定义明确的铂电极上，它能将燃料电池反应的活性提高11倍。"咖啡因对铂电极的影响为了评估咖啡因对ORR的影响，研究人员测量了通过浸入含有咖啡因的电解质中的铂电极的电流。这些铂电极的表面原子按特定方向排列，即(111)、(110)和(100)。随着电解液中咖啡因浓度的增加，电极的ORR活性明显提高。咖啡因存在时会吸附在电极表面，有效阻止氢吸附和氧化铂在电极上的形成。然而，咖啡因的作用取决于电极表面铂原子的取向。当咖啡因摩尔浓度为1×10-6时，Pt(111)和Pt(110)上的ORR活性分别增加了11倍和2.5倍，而对Pt(100)没有明显影响。为了理解这种差异，研究人员使用红外反射吸收光谱法研究了咖啡因在电极表面的分子取向。他们发现，咖啡因在铂(111)和铂(110)表面被吸收时，其分子平面垂直于表面。然而，在铂(100)表面，立体阻碍导致咖啡因的分子平面相对于电极表面倾斜。"Pt(111)和Pt(110)的ORR活性提高是由于PtOH覆盖率降低和吸附的咖啡因的立体阻碍降低。相反，对于Pt(100)，PtOH减少的效果被吸附的咖啡因的立体阻碍抵消，因此咖啡因不会影响ORR活性，"Hoshi教授解释说。与寿命有限的电池不同，燃料电池只要提供燃料就能发电，因此适用于各种应用，包括车辆、建筑物和太空任务。所提出的方法有望改进燃料电池的设计，并使其得到广泛应用。编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1423920.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1423920.htm

科学家们开发出了一种用于锂离子电池的超低浓度电解质

科学家们开发出了一种用于锂离子电池的超低浓度电解质锂离子电池（LIB）为智能手机和平板电脑提供电力，驱动电动汽车，并在发电厂储存电力。大多数锂离子电池的主要成分是锂钴氧化物（LCO）阴极、石墨阳极以及为阴极和阳极的解耦反应提供移动离子的液态电解质。这些电解质决定了电极上形成的相间层的性质，从而影响电池循环性能等特性。然而，商用电解质大多仍基于30多年前配制的系统：1.0至1.2摩尔/升六氟磷酸锂（LiPF6）在羧酸酯（"碳酸溶剂"）中的溶液。在过去的十年中，高浓度电解质（>3mol/L）得到了发展，它们有利于形成坚固的无机主导相间层，从而提高了电池性能。然而，这些电解质粘度高、润湿能力差、导电性差。由于需要大量的锂盐，这些电解质的价格也非常昂贵，而这往往是影响可行性的一个关键参数。为了降低成本，超低浓度电解质（<0.3mol/L）的研究也已开始。这些电解质的缺点是，电池电池分解的溶剂多于少量的盐阴离子，从而导致有机物占主导地位，相间层的稳定性较差。由宁波大学（中国）和波多黎各大学里奥皮德拉斯校区（美国）的袁金良、夏岚和吴先勇领导的研究小组现已开发出一种超低浓度电解质，可能适用于锂离子电池的实际应用：LiDFOB/EC-DMC。LiDFOB（二氟草酸硼酸锂）是一种常见的添加剂，价格比LiPF6便宜得多。EC-DMC（碳酸乙酯/碳酸二甲酯）是一种商用碳酸酯溶剂。这种电解液的含盐量低至2重量百分比（0.16摩尔/升），但离子电导率却高达4.6mS/cm，足以使电池正常工作。此外，DFOB-阴离子的特性还能在LCO和石墨电极上形成以无机物为主的坚固相间层，从而在半电池和全电池中实现出色的循环稳定性。目前使用的LiPF6会在潮湿环境中分解，释放出剧毒和腐蚀性的氟化氢气体（HF），而LiDFOB则对水和空气稳定。使用LiDFOB的LIB不需要严格的干燥室条件，而可以在环境条件下制造，这又是一个节约成本的特点。此外，回收问题也会大大减少，从而提高可持续性。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428465.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428465.htm

科学家开发出存储能力更强的铝离子电池

科学家开发出存储能力更强的铝离子电池一个研究小组创造出一种有机氧化还原聚合物，可用作铝离子电池的正极。铝离子电池正在成为传统电池的潜在替代品，因为传统电池依赖于锂等难以获取且难以回收的材料。这种转变归因于铝在地壳中的丰富含量、其可回收性，以及相对于锂的安全性和成本效益。尽管如此，铝离子电池的发展仍处于早期阶段，因为研究人员仍在寻找能够提供足够存储容量的适当电极材料。最近，由乌尔姆大学的BirgitEsser博士、弗莱堡大学的IngoKrossing博士和AnnaFischer教授领导，GauthierStuder负责的研究小组在这一领域取得了突破性进展。研究小组开发了一种正电极材料，由一种基于吩噻嗪的有机氧化还原聚合物组成。在实验中，使用这种电极材料的铝电池存储的容量达到了以前从未达到的每克167毫安时（mAh/g）。因此，这种有机氧化还原聚合物的容量超过了石墨，而迄今为止，石墨主要用作电池的电极材料。该研究成果发表在《能源与环境科学》（Energy&EnvironmentalScience）杂志上。将电极材料插入复杂的铝阴离子在电池充电过程中，电极材料会被氧化，从而吸收复杂的铝阴离子。这样，有机氧化还原聚合物聚（3-乙烯基-N-甲基吩噻嗪）就能在充电过程中可逆地插入两个[AlCl4]-阴离子。研究人员使用离子液体乙基甲基氯化咪唑作为电解质，并添加了氯化铝。电池示意图显示了电极材料被氧化、铝酸阴离子沉积的氧化还原过程。图片来源：BirgitEsser/弗莱堡大学"铝电池研究是一个令人兴奋的研究领域，在未来的储能系统中具有巨大潜力，"GauthierStuder说。"我们的重点是开发具有高性能和可逆特性的新型有机氧化还原活性材料。通过研究聚（3-乙烯基-N-甲基吩噻嗪）在氯铝酸盐基离子液体中的氧化还原特性，我们取得了重大突破，首次证明了吩噻嗪基电极材料的可逆双电子氧化还原过程。"在10摄氏度条件下进行5,000次充电循环后，电池仍能保持88%的容量聚（3-乙烯基-N-甲基吩噻嗪）能在0.81伏和1.65伏的电位下沉积[AlCl4]-阴离子，并提供高达167毫安时/克的比容量。相比之下，作为铝电池电极材料的石墨的放电容量为120毫安时/克。经过5000次充电循环后，研究小组展示的电池在10C（即充放电速率为6分钟）条件下仍具有88%的容量。在较低的C速率下，即充放电时间较长的情况下，电池仍能恢复到原来的容量。BirgitEsser说："这种电极材料具有放电电压高、比容量大以及在快速C速率下容量保持率高的特点，代表了可充电铝电池开发领域的一大进步，因此也代表了先进且经济实惠的储能解决方案的一大进步。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1377793.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1377793.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

科学家发现新型锂离子导体 可用于强化电动汽车电池

科学家发现新型锂离子导体可用于强化电动汽车电池利物浦大学的一个团队开发出了一种新型固态锂离子导体，可以取代电池中的液态电解质，从而提高安全性和效率。图片表示锂离子（蓝色）在结构上移动。资料来源：利物浦大学这种新材料由无毒的地球富集元素组成，具有足够高的锂离子传导性，可以取代目前锂离子电池技术中的液态电解质，提高安全性和能量容量。该大学的跨学科研究团队采用变革性科学方法来设计这种材料，他们在实验室中合成了这种材料，确定了它的结构（原子在空间中的排列），并在电池中进行了演示。这种新材料是极少数能达到足以取代液态电解质的高锂离子电导率的固体材料之一，并且由于其结构而能以一种新的方式工作。这一发现是通过合作计算和实验工作流程实现的，该流程利用人工智能和基于物理学的计算来支持大学化学专家的决策。这种新材料为化学优化提供了一个平台，以进一步提高材料本身的性能，并根据研究提供的新认识来确定其他材料。利物浦大学化学系马特-罗森斯基（MattRosseinsky）教授说："这项研究展示了一种新型功能材料的设计和发现。这种材料的结构改变了人们以往对高性能固态电解质的理解。具体来说，具有多种不同移动离子环境的固体可以表现出很好的性能，而不仅仅是离子环境范围很窄的少数固体。这极大地开拓了进一步发现的化学空间。"最近的报道和媒体报道预示着人工智能工具已被用于寻找潜在的新材料。在这种情况下，人工智能工具是独立工作的，因此很可能会以各种方式重现它们接受过的训练，生成的材料可能与已知材料非常相似。"这篇发现研究论文表明，人工智能和由专家调配的计算机可以解决现实世界材料发现的复杂问题，在这个问题上，我们寻求的是成分和结构上有意义的差异，其对性能的影响要根据理解来评估，我们的颠覆性设计方法为发现这些以及其他依赖离子在固体中快速运动的高性能材料提供了一条新的途径"。这项研究由利物浦大学化学系、材料创新工厂、利弗胡尔姆功能材料设计研究中心、史蒂芬森可再生能源研究所、阿尔伯特-克鲁中心和工程学院的研究人员共同努力完成。并得到了工程与物理科学研究理事会（EPSRC）、勒弗胡尔姆信托基金会（LeverhulmeTrust）和法拉第研究所（FaradayInstitution）的资助。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1420615.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1420615.htm