可充电电池性能有望迎来转折：研究人员推翻几十年来的电极假设

可充电电池性能有望迎来转折：研究人员推翻几十年来的电极假设今天（9月28日），《自然-能源》（NatureEnergy）杂志报道了首次直接测量充电电池内部固体电极和液体电解质边界电特性的研究。这项由美国能源部西北太平洋国家实验室（PNNL）研究小组领导的研究表明，所谓的固体电解质相间层（SEI）并不像以前认为的那样是一种电子绝缘体，而是表现得像一种半导体。这项研究解开了电池运行过程中SEI如何发挥电气功能这一长期未解之谜。电池研究科学家徐耀斌将样品放入透射电子显微镜中，检查充电电池的功能。图片来源：AndreaStarr太平洋西北国家实验室液态电解质通常被称为工作电池的"血液供应"，通过调整液态电解质的物理和电化学特性，这些发现对设计更长寿命的电池具有直接影响。PNNL实验室研究员、电池技术专家王崇民（ChongminWang）是这项研究的共同负责人。研究人员的研究重点是这层比纸巾还薄的SEI层，因为它在电池性能中发挥着巨大的作用。在放电过程中，这层膜状镶嵌层有选择性地允许带电的锂离子穿过，并控制电子的移动，从而为电池供电。当电池是新电池时，SEI会在第一个充电周期形成，并在电池的预期使用寿命内保持稳定。但观察老化的充电电池内部，往往会发现负极上有大量固态锂堆积。电池研究人员认为，这种积聚造成了性能损失。造成这种猜测的部分原因是无法进行测量来检验因果关系。原位透射电子显微镜使研究人员能够直接观察电池材料在原子和纳米尺度上的演变过程，从而深入了解可充电电池的功能。图片来源：AndreaStarr太平洋西北国家实验室Wang与该研究的共同负责人、PNNL电池材料与系统组的材料科学家WuXu，共同第一作者YaobinXu和HaoJia，以及他们在PNNL、德克萨斯农工大学和劳伦斯伯克利国家实验室的同事一起，通过开发一种新技术来直接测量实验系统中跨SEI的电传导，从而解决了这一问题。研究小组将透射电子显微镜与显微镜内微加工金属针的纳米级操作相结合。然后，研究人员用四种不同类型的电解质测量了在铜或锂金属上形成的SEI层的电气特性。研究小组的测量结果表明，随着电池电压的升高，SEI层在所有情况下都会泄漏电子，使其成为半导电层。研究结果表明含碳分子会泄漏电子，缩短电池寿命，他们记录到这种以前从未直接观察到的类似半导体的行为后希望了解化学性质复杂的SEI的哪些成分造成了电子泄漏。Xu说："我们发现，SEI层中的含碳有机成分容易导致电子泄漏。尽量减少SEI中的有机成分将延长电池的使用寿命。即使通过SEI的传导率发生微小变化，也会导致效率和电池循环稳定性的巨大差异。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1386981.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1386981.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

全新电极材料可大幅提升容量 经济实惠且环保无毒

全新电极材料可大幅提升容量经济实惠且环保无毒他们使用储量丰富、环保原材料合成的聚合物多孔材料作为电池电极。他们还设计了离子导体功能材料作为固态电解质，以提高电化学性能。全球大学网络是由24所研究主导型大学组成的非营利性联盟，成立于2000年，香港中文大学和台湾成功大学也在其中。它向成员大学提供财政和基础设施支持，以支持国际研究合作和学术流动。注：24家大学会员名单据悉，在上述最新研究中，他们的关键成果是开发了一种小分子有机电极材料——六氮杂蒽（HATA）嵌入醌（HATAQ）。通过将共轭醌基团引入到缺乏电子的六氮二苯衍生物核中，全新电极材料显示出获得超高金属离子存储容量的潜力。台湾成功大学（NCKU）教授WatchareeyaKaveevivitchai说：“有机电极材料有很多优点，比如低成本和环保。它们还包含大量的氧化还原活性位点，能够在氧化还原电位下经历多电子转移过程，如果适当调整，可以导致高能量密度。”此外，受到这种新型电极材料在锂离子电池中优异电化学性能的启发，科学家们还研究了该化合物作为其他可充电电池系统的阴极，这些系统被认为是更安全、更便宜的，例如钠电池和新电池。他们的研究结果已于近期发表在了《材料化学杂志A》上。具体来说，在使用1摩尔ZnSO4溶液作为电解质的可充电锌离子电池中，大量的氧化还原活性位点和延长的共轭使其提供了492mAh/g的超高容量，而且表现出极强的稳定性，即使在1000次循环后仍能保留99%。研究人员表示，这种新型电极材料的性能是迄今为止报道的水性锌离子电池中最好的。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1346095.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1346095.htm

新研发的CSRD材料局部无序技术有望缩短电池充电时间 增加能量储存能力

新研发的CSRD材料局部无序技术有望缩短电池充电时间增加能量储存能力不稳定的电极充电电池是能源转型的关键要素，尤其是在可再生能源越来越多的今天。在多种可充电电池中，锂离子电池是功能最强大、应用最广泛的电池之一。为了使其电气连接，通常使用层状氧化物作为电极。然而，当电池充电时，它们的原子结构会变得不稳定。这最终会影响电池的循环寿命。局部失调为了解决这个问题，代尔夫特理工大学的"电化学能量存储"小组与国际研究人员合作。论文的第一作者是王启迪，他介绍说："用作锂离子电池阴极材料的层状氧化物是整齐有序的。我们进行了一项结构设计研究，通过改进合成方法在这种材料中引入化学短程无序。因此，它在电池使用过程中变得更加稳定"。有序的层状结构是锂（Li）离子阴极的重要组成部分。然而，在充电过程中，本质上脆弱的缺锂框架很容易受到晶格应变、结构和/或化学机械退化的影响，导致容量迅速下降，从而缩短电池寿命。在此，研究人员报告了一种通过在氧化物阴极中整合化学短程无序（CSRD）来解决这些问题的方法，它涉及晶格中元素在空间维度上的局部分布，跨越几个最近邻间距。这是在结构化学基本原理的指导下，通过改进的陶瓷合成工艺实现的。为了证明其可行性，研究人员展示了CSRD的引入如何对层状氧化锂钴阴极的晶体结构产生重大影响。这表现在过渡金属环境及其与氧气的相互作用上，有效防止了锂去除过程中晶体板的有害滑动和结构退化。同时，它还会影响电子结构，从而提高电子导电性。这些特性对锂离子存储能力大有裨益，可显著提高循环寿命和速率能力。此外他们还发现CSRD可以通过改进化学共掺杂的方式引入到其他层状氧化物材料中，这进一步说明了CSRD在增强结构和电化学稳定性方面的潜力。这些发现为氧化物阴极的设计开辟了新的途径，帮助深入了解了CSRD对先进功能材料晶体和电子结构的影响。经过200次充电/放电循环后，结构稳定性的提高几乎使电池的容量保持率翻了一番。图片来源：RoyBorghoutsFotografie循环寿命更长，充电时间更短结构稳定性的提高使电池在200次充电/放电循环后的容量保持率几乎翻了一番。此外，这种化学短程无序增加了电极中的电荷转移，从而缩短了充电时间。研究小组对锂钴氧化物（LiCoO2）和锂镍锰钴氧化物（NMC811）等成熟的商用阴极展示了这些优势。关键材料这些成果可能会催生新一代锂离子电池，其制造成本更低，寿命期间单位能量储存的二氧化碳排放量更小。研究小组下一步将研究是否可以利用同样的材料设计原理，用不太稀缺的原材料制造阴极。论文的资深作者马尼克斯-瓦格马克（MarnixWagemaker）说："钴和镍都是所谓的能源技术关键材料，减少电池中这些材料的使用将是一件好事。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430486.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430486.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

螃蟹让一组科学家在廉价可充电电池设计中占了先机

螃蟹让一组科学家在廉价可充电电池设计中占了先机但是科学家们现在发现，将贝壳废料升级为硬碳可能能够形成钠基充电电池的电力电路的一个关键部分，这是目前锂技术的一个可持续替代方案。研究人员发现，从贝壳中生产硬碳有可能作为钠离子电池的阳极发挥作用。通过将贝壳加热到超过1000°F（538℃）的温度，他们将贝壳变成了碳，并将其加入硫化锡（SnS2）或硫化铁（FeS2）的溶液中。这形成了一个可行的钠离子阳极，或电池的正电极。钠离子电池（SIBs）是一种新兴技术，是锂离子电池（LIBs）的可持续替代品。虽然在化学上与锂相似，但钠离子更大，需要一个不同于通常由石墨制成的阳极。这就是陈云、赵越、刘宏斌和马廷立的团队在螃蟹身上发现的一种兼容的替代品。螃蟹的碳提供了一种多孔、纤维状和大表面积的阳极，增强了导电性和运输钠离子的能力。而且该团队发现，在其模型电池中，锡和铁的复合材料都有不错的充电能力，至少有200个循环。虽然它不属于锂电池领域，但它是朝着更可持续的电池技术迈出的积极一步。去年，世界经济论坛揭示了围绕开采锂的持续可行性的许多问题，预测这种有限的资源最早在2025年就会出现短缺。这个问题因其对环境的影响而变得更加复杂，因为锂的提取需要高昂的水费，而世界上最大的矿物来源地--澳大利亚和南美--也都位于易发生干旱的地区。随着电动车电池技术的使用推动了巨大的需求，开发新的可持续替代品的竞赛正在进行。位于内华达州的Albemarle银峰矿是美国唯一的锂生产商，仅占全球市场的1%。这项研究是在科学家们发现从甲壳素中提取的凝胶电解质可以帮助为锌电池提供动力的六个月后进行的，证明它更具有可持续性，而且没有像目前锂电池离子传输电解质溶液中的腐蚀性和易燃性化学品。早些时候，甲壳素和壳聚糖在自愈油漆、生物技术晶体管、塑料替代品、流感病毒过滤器和抗病毒药物中发挥了关键作用。另一方面，科学家们也在努力寻找替代方案，以解决从马蹄蟹血液中获取Limulusamebocytelysate（LAL）的问题，40多年来，LAL一直是开发安全疫苗和其他注射剂的一个组成部分。蟹碳可以完全从副产品中产生，该团队认为这对动物种群的影响最小，此外，远离锂还有更广泛的环境效益。随着锂原料成本的上升，这也是一个更经济的替代方案。作者指出："这项研究提供了一个有效的途径，利用低成本的废弃原材料来建造高特异性能的钠离子电池。"该研究发表在ACSOmega杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349307.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349307.htm