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

Influit Energy推进电力燃料商业化进程：能量比锂电池多23%成本仅一半

InfluitEnergy推进电力燃料商业化进程：能量比锂电池多23%成本仅一半伊利诺伊理工学院分拆出来的InfluitEnergy公司近日表示，在推进其可充电电力燃料商业化进程中不再继续保持低调。这是一种不易燃、快速充电的液流电池，它的能量比锂电池多23%，成本却只有一半。Influit公司的“纳米电力燃料”在很大程度上针对车辆和飞机，为目前的电池技术提供了一种替代方案，其优点和缺点似乎都很有说服力。目前常见的液流电池主要使用2种化学液体，让它们在离子交换膜上交换从而产生电流。不过这种电池在交换过程中，溶解于液体中的电池材料会沉淀到槽底失去作用，因此这种电池的能量密度是非常低的。这种低密度往往使液流电池被限制在大型、缓慢、廉价的电网级存储系统项目等方面。Influit公司表示，为了解决这个问题，它们将无限微小的固体纳米活性金属氧化物电池材料悬浮在基液表面，而不是溶解在基液中。这样，仅随机布朗运动就足以使粒子不沉降到底部。它声称其纳米颗粒经过表面改性，以防止结块并降低溶液的粘度，从而使其电燃料或多或少像机油一样流动。流动电池的设计使阳离子和阴离子液体在离子交换膜的两侧相互传递，以产生电流。该系统需要四个罐子，用于存放已用和未用的燃料，当电力被反馈到系统中时，它可以反向工作。这将需要一个完整的生态系统；Influit不仅在开发电燃料液体，而且还在开发从这些燃料中提取能量的类似燃料电池的机载设备，复杂的油箱和燃料管理系统，以保持液体分离并保留用于回收的废燃料，电燃料零售设备，为废燃料“充电”所需的系统，以及首先需要制造这些纳米燃料液体的炼油厂。Influit公司说，它的燃料是不可燃和非爆炸性的--事实上，倒在火上，它们实际上会把火扑灭。在灾难性的安全壳故障中，如果让阳性液体和阴性液体混合，温度会有一小段时间的轻微上升，仅此而已。它们在-40至80°C（-40-176°F）的广泛工作温度范围内都能愉快地工作。它们不使用锂，不使用重金属或稀土矿物，使它们便宜得多--但也确保源材料丰富，供应线不必穿过中国这样的地缘政治杠杆点。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1302473.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1302473.htm

纳米线创新：科学家以更高的耐用性革新燃料电池

纳米线创新：科学家以更高的耐用性革新燃料电池电极中垂直排列的同轴纳米线，质子在纳米线内部的离子芯中传输。铂纳米薄膜外壳中传输的电子与氧气结合，完成燃料电池阴极反应。来源：LANL与其他设计相比，这种创新电极由不易腐蚀的纳米线组成，是聚合物电解质膜燃料电池的核心，它可以让燃料电池使用氢气作为汽车的无排放动力。洛斯阿拉莫斯国家实验室团队的科学家雅各布-斯本德洛（JacobSpendelow）在《先进材料》（AdvancedMaterials）杂志上介绍了他们的研究成果。"这项工作表明，我们可以摆脱传统的碳基催化剂载体，消除与碳腐蚀相关的降解问题，同时还能实现较高的燃料电池性能"。耐久性的增强使这种燃料电池有望应用于重型卡车，在这种应用中，燃料电池的寿命必须超过25000小时。同轴纳米线电极（CANE）由垂直排列的纳米线阵列组成，其中每根纳米线都由催化活性铂膜构成，铂膜围绕着离子传导聚合物芯。通过避免使用碳基催化剂支架，CANE消除了与碳腐蚀相关的常见降解机制。为了评估新型燃料电池的耐用性，洛斯阿拉莫斯国家实验室的团队进行了加速应力测试。值得注意的是，在针对支持材料进行了5000次应力测试循环后，CANE的性能损失仅为2%。相比之下，传统的碳基电极性能则下降了惊人的87%。同轴纳米线方法是洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的几种新型燃料电池设计之一。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380263.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380263.htm

科学家开发出新型纳米材料 带来控制火灾的新方法

科学家开发出新型纳米材料带来控制火灾的新方法高温火焰对于生产多种材料至关重要。然而，控制火焰及其与目标材料的相互作用是一项挑战。科学家们现在已经开发出一种方法，利用分子薄保护层来控制火焰的热量与材料的相互作用--驯服火焰，让用户能够精细调整加工材料的特性。PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1377999.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1377999.htm

科学家开发出可永久运行的新型泥土动力燃料电池

科学家开发出可永久运行的新型泥土动力燃料电池美国西北大学的研究人员推出了一种由土壤微生物驱动的燃料电池，其性能大大优于同类技术，并为低能耗设备提供了一种可持续的供电解决方案。燃料电池的3D打印帽露出地面。盖子可以防止碎屑进入设备，同时保证空气流通。图片来源：BillYen/西北大学为了测试这种新型燃料电池，研究人员用它为测量土壤湿度和探测触摸的传感器供电，这种能力对于追踪路过的动物非常有价值。为了实现无线通信，研究人员还为土壤供电传感器配备了一个微型天线，通过反射现有的无线电频率信号将数据传输到邻近的基站。这种燃料电池不仅能在潮湿和干燥的条件下工作，而且其功率比同类技术高出120%。这项研究成果将于今天（1月12日）发表在《交互、移动、可穿戴和泛在技术计算机械协会论文集》（ProceedingsoftheAssociationforComputingMachineryonInteractive,Mobile,Wearable,andUbiquitousTechnologies）上。研究报告的作者还将向公众发布所有设计、教程和模拟工具，以便其他人可以使用并在此基础上开展研究。"物联网（IoT）中的设备数量在不断增长，"领导这项工作的西北大学校友比尔-颜（BillYen）说。"如果我们想象未来会有数万亿台这样的设备，我们就不可能用锂、重金属和对环境有害的毒素来制造每一台设备。我们需要找到能够提供低能量的替代品，为分散的设备网络供电。在寻找解决方案的过程中，我们将目光投向了土壤微生物燃料电池，它利用特殊微生物分解土壤，并利用低能量为传感器供电。只要土壤中有供微生物分解的有机碳，燃料电池就有可能永远持续下去"。该研究的主要作者比尔-颜（BillYen）在西北大学实验室测试时埋入燃料电池。资料来源：美国西北大学西北大学的GeorgeWells是这项研究的资深作者，他说："这些微生物无处不在，它们已经生活在各处的土壤中。我们可以使用非常简单的工程系统来捕捉它们的电力。我们不会用这种能量为整个城市供电。但我们可以捕获微量的能量，为实用的低功率应用提供燃料。"威尔斯是西北大学麦考密克工程学院土木与环境工程系副教授。Yen现在是斯坦福大学的博士生，当他还是Wells实验室的一名本科生研究员时，就开始了这个项目。近年来，全球越来越多的农民采用精准农业作为提高作物产量的策略。这种技术驱动的方法依靠精确测量土壤中的水分、养分和污染物含量，从而做出提高作物健康水平的决策。这需要一个广泛、分散的电子设备网络来持续收集环境数据。Yen说："如果你想在野外、农场或湿地安装传感器，你只能在传感器上安装电池或收集太阳能。太阳能电池板在肮脏的环境中无法正常工作，因为它们会被灰尘覆盖，在太阳不出来的时候无法工作，而且会占用很大的空间。电池也具有挑战性，因为它们会耗尽电力。农民不会绕着100英亩的农场定期更换电池或清除太阳能电池板上的灰尘。"为了克服这些挑战，威尔斯、Yen和他们的合作者想知道，他们是否可以从现有环境中获取能量，也就是从农民正在监测的土壤中获取能量。基于土壤的微生物燃料电池（MFC）于1911年首次出现，其工作原理与电池类似--具有阳极、阴极和电解质。但MFC并不使用化学物质来发电，而是从细菌中获取电能，这些细菌会自然地向附近的导体提供电子。当这些电子从阳极流向阴极时，就形成了一个电路。燃料电池从地下取出进行研究后，被泥土覆盖。图片来源：BillYen/西北大学但是，为了让微生物燃料电池不受干扰地运行，它们需要保持水分和氧气，而这在埋于地下的干燥泥土中是很难做到的。Yen说："虽然MFC作为一种概念已经存在了一个多世纪，但其不可靠的性能和低输出功率阻碍了人们对其进行实际应用，尤其是在低湿度条件下。"考虑到这些挑战，Yen和他的团队开始了为期两年的开发实用、可靠的基于土壤的MFC的旅程。他的考察包括创建和比较四种不同的版本。首先，研究人员对每种设计的性能进行了长达九个月的数据收集。然后，他们在室外花园测试了最终版本。性能最好的原型既能在干燥条件下工作，也能在水浸环境下工作。其成功的秘诀是它的几何形状。获胜的燃料电池没有采用阳极和阴极相互平行的传统设计，而是采用了垂直设计。阳极由碳毡（一种廉价、丰富的导体，可捕捉微生物的电子）制成，与地表水平。阴极由惰性导电金属制成，垂直置于阳极之上。虽然整个装置是埋在地下的，但垂直设计确保了上端与地表齐平。设备顶部有一个3D打印的盖子，以防止碎片掉落。顶部的小孔和阴极旁的空气室可以保证稳定的气流。阴极的下端一直深埋在地表之下，确保它能从周围潮湿的土壤中保持水分，即使地表土壤在阳光下变干也是如此。研究人员还在阴极的一部分涂上了防水材料，使其在洪水中能够呼吸。而且，在可能发生的洪水过后，垂直设计还能使阴极逐渐变干，而不是一下子变干。平均而言，由此产生的燃料电池所产生的电量是传感器运行所需电量的68倍。它还足够坚固耐用，能够承受土壤水分的巨大变化--从略微干燥（体积含水量为41%）到完全浸入水中。研究人员说，他们的土基MFC的所有组件都可以在当地五金店买到。下一步，他们计划开发一种由完全可生物降解材料制成的土基MFC。这两种设计都绕过了复杂的供应链，避免了使用冲突矿产。"通过COVID-19大流行，我们都熟悉了危机是如何扰乱全球电子产品供应链的，"该研究的合著者、前西北大学教师、现就职于佐治亚理工学院的乔赛亚-赫斯特（JosiahHester）说。"我们希望制造出使用本地供应链和低成本材料的设备，让所有社区都能获得计算能力"。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1415961.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1415961.htm