日本东北大学开发岩盐氧化物阴极材料 适用于可充电镁电池

日本东北大学开发岩盐氧化物阴极材料适用于可充电镁电池这项研究表明，镁在岩盐结构中的扩散有了相当大的改善。这是一个关键性进展，因为以往这种结构中的原子密度会阻碍镁迁移。通过加入含有七种不同金属元素的重要混合物，该团队创建了富含稳定阳离子空位的晶体结构，使镁更易于嵌入和提取。这是首次将岩盐氧化物用作RMB阴极材料。研究人员采用了高熵策略，以促进阳离子缺陷激活岩盐氧化物阴极。这一进展还解决了RMB的一个关键问题，即镁在固体材料中传输困难。到目前为止，镁的迁移率在传统阴极材料中（如尖晶石结构材料）需要通过高温来提高。现在，这项研究开发的材料仅在90°C下就能有效工作，从而表明所需的工作温度明显降低。东北大学材料研究所（IMR）教授TomoyaKawaguchi指出，这项研究具有更广泛的影响。“锂资源稀缺且分布不均，而供应充足的镁为锂离子电池提供了更可持续、更具成本效益的替代品。借助新开发的阴极材料，镁电池将在各种应用中发挥关键作用，包括电网存储、电动汽车和便携式电子设备，为全球向可再生能源转型和减少碳排放做出贡献。”IMR另一位教授TetsuIchitsubo表示：“这项研究利用镁的内在优势，并突破了以前的材料局限性。这为开发下一代电池铺平了道路，有望产生重大的技术、环境和社会影响。”总之，在寻求高效、环保的储能解决方案方面，这一突破是向前迈出的重要一步。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1426516.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1426516.htm

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

锂电池循环寿命和快充性能有望大幅提升

锂电池循环寿命和快充性能有望大幅提升近日，荷兰代尔夫特理工大学的MarnixWagemaker教授团队与中核集团原子能院核物理研究所中子散射团队合作，在国际权威期刊《自然》上发表了锂离子电池领域的最新研究成果。该成果或将大幅提升锂电池循环寿命和快充性能，标志着中核集团重大科研设施中国先进研究堆全面开放应用取得重要进展。该研究围绕有序层状氧化物开展，这是目前锂离子电池中最重要的正极材料之一。在进行深度充电时，该结构框架容易受到晶格应力、结构或机械化学降解的影响，使得电池容量急剧下降，从而导致电池寿命缩短。（科技日报）

科学家发现水基电池的储存能力有着高达1000%的差异

科学家发现水基电池的储存能力有着高达1000%的差异化学工程教授JodieLutkenhaus博士和化学助理教授DanielTabor博士在《自然材料》上发表了他们关于无锂电池的研究结果。"不会再有电池火灾了，因为它是水基的，"Lutkenhaus说。"在未来，如果预测到材料短缺，锂离子电池的价格会大涨。如果我们有了这种替代电池，我们就可以转向这种化学，其供应要稳定得多，因为我们可以在美国这里制造它们，而且制造它们的材料也在这里。"Lutkenhaus说，水电池由阴极、电解质和阳极组成。阴极和阳极是可以储存能量的聚合物，而电解质是与有机盐混合的水。电解液通过其与电极的相互作用，是离子传导和能量存储的关键。她说："如果一个电极在循环过程中膨胀得太厉害，那么它就不能很好地传导电子，就会失去所有的性能。我相信，由于肿胀效应，储能能力有1000%的差异，这取决于电解质的选择。"根据他们的文章，氧化还原活性的非共轭自由基聚合物（电极）是有希望成为无金属水电池的候选者，因为这种聚合物具有高放电电压和快速氧化还原动力学。由于电子、离子和水分子的同时转移，该反应很复杂且难以解决。研究人员在文章中说："我们通过使用电化学石英晶体微天平在一系列时间尺度上进行耗散监测，检查不同混沌/交变特性的水电解质，证明了氧化还原反应的性质。"Tabor的研究小组用计算模拟和分析对实验工作进行了补充。仿真让人们深入了解了结构和动力学的微观分子尺度的情况。"理论和实验经常紧密合作以了解这些材料。在这篇论文中，我们在计算上所做的新事情之一是，我们实际上将电极充电到多种电荷状态，并观察周围环境如何对这种充电做出反应。"研究人员通过准确测量电池运行时有多少水和盐进入电池，从宏观上观察电池阴极是否在某些种类的盐存在时工作得更好。"我们这样做是为了解释在实验中观察到的情况，现在，我们希望将我们的模拟扩展到未来的系统。我们需要让我们的理论得到证实，什么是驱动这种水和溶剂注入的力量。""有了这种新的储能技术，这是对无锂电池的一种推动。"Tabor说："我们对是什么让一些电池电极比其他电池电极工作得更好有了更好的分子水平的描述，这为我们在材料设计方面的进展提供了强有力的证据。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1355015.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1355015.htm

Science：固态电池未决 研究材料力学

Science：固态电池未决研究材料力学为什么要研究力学结构？要怎么了解不同材料下固态电池的力学结构？因为力学结构导致固态电池失效，又有什么对应的解决办法？来自美国橡树岭国家实验室和密歇根理工大学的五位作者，详细解答了这些问题。固态电池中力学的关键作用既然需要关注固态电池的力学结构，那么如何评估和设计呢？论文提供了一个理解和设计力学结构可靠的固态电池的框架。该框架包括三个方面：1、识别和理解该固态电池中局部应变的来源；2、了解这种应力，特别是在电池界面处，以及电池材料对这些应力的响应；3、设计具有所需应力和应变演变的电池材料和电池单元。其中，应力是材料受到的外力大小，应变是指材料在受到外力时的形变程度。以固态电解质为例，众所周知，固态锂电池比液态锂电池更安全的关键因素是，固态电池中的固态电解质可以有效抑制锂枝晶的生长。锂枝晶而不同的固态电解质材料对锂枝晶抑制效果也存在不同，评估抑制效果好坏的一个标准就是该材料的应力和应变。如果这种固态电解质即使受到很大的应力，也不易发生弹性形变，比如氧化物电解质，这意味着这种固态电解质材料能有效抑制锂枝晶生长；但同时，氧化物电解质的硬度和刚度很高，更有可能发生断裂等情况，影响固态电池的性能。应力-应变的关系曲线，来源参考论文2所以，在选择固态电解质时选择各项性能更平衡的材料，更有利于提高固态电池的性能和使用寿命。这也是为什么需要研究固态锂电池的力学结构。固态锂电池的充放电过程伴随着阴阳极体积的变化，比如阴极中的晶格拉伸和扭曲以及阳极中的金属锂沉积。固态锂电池中对应的力学和传递现象而液态锂电池得益于液态电解质，阴阳极体积变化不会影响电池内部的受力结构，但因为固态锂电池中固态含量较高，阴阳极体积的改变可能会影响固态锂电池的稳定性。假如阳极某一处锂沉积过多，会导致该处的应力增大。假如应力超过了固态电解质承受的极限，材料形变过大（也就是应变程度），会有材料断裂、粉化等风险。所以，材料的力学性质的变化会影响材料的电化学性质，进而导致电池性能恶化甚至失效。除了固态电解质，电极的组成成分（活性物质、粘结剂、导电剂等），所使用的材料也会影响到电池的力学结构，这篇论文提供的框架可以用来研究这些材料的力学特性。作者希望通过这篇论文能更方便研究人员理解固态电池发生故障的潜在原因，同时论文也给出了这些问题的解决方案。包括：根据长度尺度、温度和应变速率（电流密度）来研究锂金属的应力缓解机制；根据长度尺度、温度和应变速率来研究陶瓷、玻璃和非晶陶瓷的应力缓解机制；讨论陶瓷、玻璃电解质的工程延展性；设计一种锂金属阳极，既能消除锂金属的不均匀沉积和剥离，也能缓解锂-电解质界面的应力；设计一种阴极活性材料，具有零循环应变、抗断裂的特点，或者具有一定的延展性；设计一种复合阴极，实现应变最小化、应力释放最大化；进行详细建模，以描述固态电池中应力和应变的演变，包括长度尺度效应（length-scaleeffects）、摩擦（friction）、粘附（adhesion）和蠕变（creep）。那么，又是谁完成了这篇论文？论文作者简介论文一作为SergiyKalnaus，来自美国橡树岭国家实验室，是计算科学与工程部的高级研究员。SergiyKalnaus拥有内华达大学机械工程博士学位，曾获得美国能源部颁发的科学技术杰出贡献奖。另外还拥有四项专利，其中三项关于电解质，一项关于电极浆料，发表过34篇论文，被引次数为3195次。论文作者还包括NancyJ.Dudney，同样来自橡树岭国家实验室，是化学科学部院士及小组组长。NancyJ.Dudney本科就读于威廉玛丽学院化学专业，毕业后直接升入麻省理工学院陶瓷工程学院，并完成博士学位。曾获得美国能源部颁发的杰出发明家称号，获得大大小小超13个奖项，拥有超过14项专利，目前正在研究混合动力汽车电池的新型材料。论文作者还有同样来自化学科学部的AndrewS.Westover，是该部门的材料科学家。AndrewS.Westover已经在《ACS能源快报》、《材料化学》等多个期刊上发表超25篇论文，其中还包括电化学三大顶刊之一电化学学会杂志JES，被引次数达到3292次。目标是实现下一代能源存储，包括固态锂电池。论文的作者还有ErikHerbert，来自橡树岭国家实验室材料科学与技术部。ErikHerbert同时还是密歇根理工大学，材料科学与工程专业的兼职教授，在田纳西大学取得材料科学与工程的博士学位。一共发表14篇论文，被引次数达到4288次。论文的最后一位作者是SteveHackney，是密歇根理工大学的材料科学与工程专业的全职教授。SteveHackney本科就读于詹姆斯麦迪逊大学化学专业，硕士和博士均就读于弗吉尼亚大学材料科学专业，研究方向包括锂离子电池、陶瓷电池材料、电池薄膜和纳米结构等。本文从固态电池领域的领先研究出发，系统地提出了固态电池的力学结构框架，重点关注应力的产生、预防和缓解机制，提出了多个解决方案。当下大多数固态电池研究都致力于改善电解质的离子传输速率和电化学稳定性，这篇论文则弥补了这一差距，也有利于开发能量密度更高、性能更优、更安全稳定的固态电池。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1386851.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1386851.htm

电动车6分钟充满？韩国科学家据报道研发出新型阳极材料

电动车6分钟充满？韩国科学家据报道研发出新型阳极材料通常，电动车充满电大约需要7至10小时。即使采用快速充电技术，仍然需要至少30分钟的时间，而且前提是充电站有空位。如果电动汽车的充电速度能够像传统燃气汽车加油一样快，那么电动汽车充电站的短缺问题将得到缓解。电动汽车中使用的锂离子电池的效率取决于其阳极材料存储锂离子的能力。近日，有媒体报道，韩国浦项科技大学化学工程系和黑色能源材料技术研究所的WonBaeKim教授带领研究团队开发了一种新型阳极材料。这一突破性技术将存储容量提高了理论极限约1.5倍，并使电动汽车能够在短短6分钟内完成充电。该研究因其卓越性而获得认可，并作为封面论文发表在《先进功能材料》杂志上。研究团队采用了一种新颖的自混合方法，通过一个简单的置换反应过程，合成了具有较大表面积的锰铁氧体纳米片。这种新型材料可以储存更多的锂离子，突破了其理论极限。在这项研究中，研究团队设计了一种新方法来合成锰铁氧体纳米片，这种材料既有优异的锂离子储能能力，又有良好的铁磁性。具体而言，他们首先在混合了锰氧化物和铁的溶液中进行了一次置换反应，形成了一个异质结构化合物，内部是锰氧化物，外部是铁氧化物。然后，团队利用水热法制备出厚度仅为纳米级的锰铁氧体纳米片。这种方法利用了高自旋极化的电子，显著提高了储存大量锂离子的能力。在这项研究中，研究小组设计了一种新的方法来合成锰铁氧体作为阳极材料，以其优越的锂离子存储容量和铁磁性而闻名。首先，在锰氧化物和铁的混合溶液中发生了电取代反应，生成了一种内部是锰氧化物，外部是铁氧化物的异质结构化合物。这项创新使得团队有效地超越了锰铁氧体阳极材料的理论容量50%以上。扩大阳极材料的表面积有利于大量锂离子的同时移动，从而提高了电池的充电速度。实验结果显示，只需要6分钟就可以为与目前市场上电动汽车相当容量的电池充满电。研究人员表示，这项研究简化了制备阳极材料的复杂过程，在提高电池容量和加快充电速度方面取得了突破性进展。这一团队表示：利用电子自旋改变表面的合理设计，克服传统阳极材料的电化学局限性，提高电池容量，这是一种新的认识。这一发展可能会提高电池的耐用性，缩短电动汽车的充电时间。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1383997.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1383997.htm