日本科学家开发出新型完全固态可充电空气电池

日本科学家开发出新型完全固态可充电空气电池此外，在可充电空气电池中使用氧化还原活性有机分子克服了与金属有关的问题，包括形成被称为"树枝状"的结构，这种结构会影响电池性能，并对环境造成负面影响。研究人员利用基于二羟基苯醌的有机负极和Nafion聚合物电解质开发出一种全固态可充电空气电池。图片来源：早稻田大学KenjiMiyatake然而，这些电池使用的液态电解质与金属基电池一样，会带来高电阻、浸出效应和易燃性等重大安全隐患。现在，在最近发表于《AngewandteChemieInternationalEdition》的一项新研究中，一组日本研究人员开发出了一种全固态可充电空气电池（SSAB），并对其容量和耐用性进行了研究。这项研究由早稻田大学和山梨大学的宫武健治（KenjiMiyatake）教授领导，早稻田大学的小柳津研一（KenichiOyaizu）教授为共同作者。研究人员选择了一种名为2,5-二羟基-1,4-苯醌（DHBQ）的化学物质及其聚合物聚（2,5-二羟基-1,4-苯醌-3,6-亚甲基）（PDBM）作为负极的活性材料，因为它们在酸性条件下可进行稳定和可逆的氧化还原反应。此外，他们还利用一种名为Nafion的质子传导聚合物作为固态电解质，从而取代了传统的液态电解质。"据我所知，目前还没有开发出基于有机电极和固体聚合物电解质的空气电池，"Miyatake说。在SSAB就位后，研究人员对其充放电性能、速率特性和循环性进行了实验评估。他们发现，与使用金属负极和有机液态电解质的典型空气电池不同，SSAB在有水和氧气存在的情况下不会变质。此外，用聚合物PDBM取代氧化还原活性分子DHBQ可以形成更好的负极。在1mAcm-2的恒定电流密度下，SSAB-DHBQ的每克放电容量为29.7mAh，而SSAB-PDBM的相应值为176.1mAh。这种电池采用基于二羟基苯醌的聚合物负极和基于Nafion的固体电解质，具有很高的库仑效率和放电容量。研究人员还发现，SSAB-PDBM的库仑效率在4C时为84%，在101C时逐渐下降到66%。虽然SSAB-PDBM的放电容量在30个循环后降低到44%，但通过增加负极中质子传导聚合物的含量，研究人员可以将其显著提高到78%。电子显微镜图像证实，添加Nafion提高了基于PDBM的电极的性能和耐用性。这项研究展示了由氧化还原活性有机分子作为负极、质子传导聚合物作为固态电解质以及氧还原扩散型正极组成的SSAB的成功运行。研究人员希望，这将为进一步的进步铺平道路。这项技术可以延长智能手机等小型电子设备的电池寿命，最终为实现无碳社会做出贡献。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1375365.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1375365.htm

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

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