室温下可充钙-氧电池 复旦大学研究成果发表于《自然》主刊

室温下可充钙-氧电池 复旦大学研究成果发表于《自然》主刊 据了解，钙金属具有低氧化还原电位和多价性等特性，结合我国丰富的钙资源，基于金属钙的电池体系在未来的能源应用中具有广阔前景。在基于金属钙的电池中，钙-氧气电池具有最高的理论能量密度, 但目前尚未实现能够在室温下稳定充放电的钙-氧气电池。其中的关键问题和挑战在于，钙金属负极具有高电化学活性，容易导致电解液被还原分解并在电极表面形成钝化层，使得钙金属负极失效；空气正极具有高电极电势，容易导致电解液氧化分解，正极电化学性能迅速衰退。目前仍难以找到一种能与钙金属负极相匹配，且能适应高电极电势空气正极的电解质，严重制约了钙-氧气电池的发展。为了解决这一挑战，团队通过系统设计溶剂、电解质盐以及电解质配比，成功制备出一种基于二甲基亚砜/离子液体的新型电解质，有效满足了电池正负极的高要求，构建了可室温工作的新型钙-氧气电池。科研人员表示，最新创建出的钙-氧气电池主要由金属钙负极、碳纳米管空气正极和有机电解质三个部分组成。电池设计不仅优化了性能和成本，也兼顾了环境的可持续性与在柔性电子设备中的应用要求。其中，金属钙负极成本较低，且具有较高理论容量，同时可进一步将金属钙负载到柔性基底上，得到柔性的金属钙负极，为实现柔性钙-氧气电池奠定了基础；新型电解质在室温下表现出高离子导率，展示了稳定的电化学特性，显著提升了电池整体安全性。据介绍，这种电池可支持室温条件下长达700次的充放电循环。团队还在此基础上成功构建出同时具有高柔性和高安全性的钙-氧气电池，可用于制备下一代可穿戴电池织物。 ... PC版： 手机版：

采用新型电沉积方法的全固态电池技术取得突破

采用新型电沉积方法的全固态电池技术取得突破 通过底部电沉积机制稳定锂金属阳极全固态电池的示意图。资料来源：POSTECH应对电池安全挑战在电动汽车和储能系统等各种应用中，二次电池通常依赖于液态电解质。然而，液态电解质的易燃性带来了火灾风险。这促使人们不断努力探索在全固态电池中使用固态电解质和金属锂（Li），从而提供更安全的选择。在全固态电池的运行过程中，锂被镀在阳极上，利用电子的运动产生电力。在充电和放电过程中，锂金属会经历失去电子、转化为离子、重新获得电子和电沉积回金属形态的循环过程。然而，锂的任意电沉积会迅速耗尽可用的锂，导致电池的性能和耐用性大幅降低。阳极保护的创新为解决这一问题，研究团队与浦项制铁 N.EX.T Hub 合作开发了一种由功能粘合剂（PVA-g-PAA）[2]组成的全固态电池阳极保护层。该层具有优异的锂转移特性，可防止随机电沉积并促进"底部电沉积"过程。这可确保锂从阳极表面底部均匀沉积。研究小组利用扫描电子显微镜（SEM）进行了分析，证实了锂离子的稳定电沉积和分离[3]。这大大减少了不必要的锂消耗。研究小组开发的全固态电池还证明，即使锂金属薄至 10 微米（μm）或更薄，也能长时间保持稳定的电化学性能。领导这项研究的 Soojin Park 教授表达了他的承诺，他说："我们通过一种新颖的电沉积策略设计出了一种持久的全固态电池系统。通过进一步研究，我们的目标是提供更有效的方法来提高电池寿命和能量密度。在合作研究成果的基础上，浦项制铁控股公司计划推进锂金属阳极的商业化，这是下一代二次电池的核心材料。"说明电沉积通过电解液中的电流将金属沉积到浸没在电解液中的电极上的方法PVA-g-PAA聚（乙烯醇）-接枝-聚（丙烯酸）脱离脱离或分离，金属锂失去电子并转化为锂离子的现象编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

复旦大学发明钙-氧室温充电电池 700次充放电循环寿命

复旦大学发明钙-氧室温充电电池 700次充放电循环寿命 2024年2月7日，相关成果以《室温下可充钙-氧气电池》（A rechargeable calcium-oxygen battery that operates at room temperature）为题，在线发表于《自然》（Nature）主刊。据介绍，在基于金属钙的电池中，钙-氧气电池具有最高的理论能量密度，但一直不能在室温下稳定充放电其中的关键问题和挑战在于，钙金属负极具有高电化学活性，容易导致电解液被还原分解，并在电极表面形成钝化层，使得钙金属负极失效；同时，空气正极具有高电极电势，容易导致电解液氧化分解，正极电化学性能迅速衰退。目前仍难以找到一种能与钙金属负极相匹配，且能适应高电极电势空气正极的电解质，严重制约了钙-氧气电池的发展。为了解决这一挑战，复旦大学团队通过系统设计溶剂、电解质盐、电解质配比，成功制备出一种基于二甲基亚砜/离子液体的新型电解质，有效满足了电池正负极的高要求，构建了可室温工作的新型钙-氧气电池。这种新型钙-氧气电池主要由三个部分构成：金属钙负极、碳纳米管空气正极、有机电解质。它不仅优化了性能和成本，也兼顾了环境的可持续性与在柔性电子设备中的应用要求。其中，金属钙负极不仅成本较低，还具有较高的理论容量，有利于全电池实现较高的能量密度。同时，可进一步将金属钙负载到柔性基底上，得到柔性的金属钙负极，为实现柔性钙-氧气电池奠定基础。电解质采用基于二甲基亚砜/离子液体体系，在室温下不仅表现出了高离子导率，还展示了稳定的电化学特性，显著提升了电池的整体安全性。正极材料则采用了较为环保的碳材料，不含昂贵的贵金属催化剂，并利用空气中的氧气作为反应物，有助于降低电池的制造成本。在室温条件下，这种新型钙-氧气电池能实现放电产物的可逆生成和分解，充放电循环寿命长达700次。在此基础上，该研究团队还成功构建出同时具有高柔性和高安全性的钙-氧气电池，为柔性电池发展提供了新思路。钙金属具有低氧化还原电位和多价性等特性，结合我国丰富的钙资源，基于金属钙的电池体系在未来的能源应用中具有广阔前景。 ... PC版： 手机版：

新型锂金属电池有望实现能量翻倍、环境影响减半的目标

新型锂金属电池有望实现能量翻倍、环境影响减半的目标 锂金属电池是下一波先进高能电池的主要竞争者。与常用的锂离子电池相比，金属锂电池的单位体积能量存储至少增加了一倍。因此，这一进步可使电动汽车一次充电的行驶距离增加一倍，或使智能手机减少充电次数。目前，锂金属电池仍存在一个重要缺陷：液态电解质需要添加大量含氟溶剂和含氟盐，这增加了对环境的影响。然而，如果不添加氟，锂金属电池就会不稳定，充电几次后就会停止工作，而且容易发生短路、过热和起火。苏黎世联邦理工学院电化学能源系统教授玛丽亚-卢卡茨卡娅领导的研究小组现已开发出一种新方法，可大幅减少金属锂电池所需的氟量，从而使其更环保、更稳定、更具成本效益。电解液中的氟化合物有助于在电池负极的金属锂周围形成保护层。Lukatskaya 解释说："这个保护层可以比作牙齿的珐琅质。它保护金属锂不与电解质成分发生持续反应。如果没有它，电解液就会在循环过程中迅速耗尽，电池就会失效，而且缺乏稳定的保护层会导致在充电过程中形成枝晶，而不是一个保形的平面保护层。"如果这些树枝状突起接触到正极，就会导致短路，从而有可能使电池升温过快而被点燃。因此，控制保护层特性的能力对电池性能至关重要。稳定的保护层可以提高电池的效率、安全性和使用寿命。博士生 Nathan Hong 说："问题是如何在不影响保护层稳定性的情况下减少氟的添加量。"该研究小组的新方法利用静电吸引来实现理想的反应。在这里，带电的含氟分子是将氟输送到保护层的载体。这意味着液态电解质中只需要 0.1% 重量百分比的氟，比之前的研究至少低 20 倍。苏黎世联邦理工学院研究小组在最近发表于《能源与环境科学》杂志的一篇论文中介绍了这种新方法及其基本原理。专利申请已经完成。最大的挑战之一是找到可以附着氟的合适分子，而且一旦附着到锂金属上，也能在合适的条件下再次分解。该研究小组解释说，这种方法的一个关键优势是可以无缝集成到现有的电池生产过程中，而不会因为改变生产设置而产生额外成本。实验室使用的电池只有硬币大小。下一步，研究人员计划测试该方法的可扩展性，并将其应用于智能手机中使用的电池。编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

韩国研究人员为未来的锂电池开发出一种新型轻质结构

韩国研究人员为未来的锂电池开发出一种新型轻质结构 浦项科技大学（POSTECH）化学系的 Soojin Park 教授和博士生 Dong-Yeob Han 与韩国能源研究所（KIER）的 Gyujin Song 博士以及浦项 N.EX.T HUB 的研究团队合作开发出了一种三维聚合物结构。这种轻质结构有利于锂（Li）离子的传输。他们的研究成果最近发表在国际期刊《先进科学》（Advanced Science）的网络版上。电池技术的进步用于电动汽车和智能手机等电子设备的电池技术不断发展。值得注意的是，锂金属阳极的能量容量为 3860 mAh/g，是目前商业化石墨阳极的十倍以上。锂金属阳极可以在更小的空间内储存更多的能量，而且与石墨或硅不同，锂金属阳极可以作为电极直接参与电化学反应。然而，在充电和放电过程中，锂离子的不均匀分布会产生被称为"死锂"的区域，从而降低电池的容量和性能。此外，当锂向一个方向增长时，它可能会到达相反一侧的阴极，从而造成内部短路。虽然最近的研究重点是优化三维结构中的锂传输，但这些结构大多依赖重金属，大大降低了电池的单位重量能量密度。锂电沉积后的混合结构内部几何形状示意图。资料来源：POSTECH用于阳极的创新型三维结构为了解决这个问题，研究小组利用聚乙烯醇（一种对锂离子具有高亲和力的轻质聚合物）与单壁碳纳米管和纳米碳球相结合，开发出了一种混合多孔结构。这种结构比通常用于电池阳极的铜（Cu）集流体轻五倍以上，对锂离子有很高的亲和力，有利于锂离子通过三维多孔结构中的空隙迁移，实现均匀的锂电沉积。在实验中，采用了该团队三维结构的锂金属阳极电池在经过 200 多次充放电循环后表现出很高的稳定性，并达到了 344 Wh/kg（能量与电池总重量之比）的高能量密度。值得注意的是，这些实验使用的是代表实际工业应用的袋装电池，而不是实验室规模的纽扣电池，这凸显了该技术商业化的巨大潜力。POSTECH 的 Soojin Park 教授表达了这项研究的意义，他说："这项研究为最大限度地提高锂金属电池的能量密度开辟了新的可能性"。KIER 的 Gyujin Song 博士强调说："这种结构兼具轻质特性和高能量密度，是未来电池技术的一个突破"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

尖头不锈钢和铜可代替抗生素以物理形式消灭细菌

尖头不锈钢和铜可代替抗生素以物理形式消灭细菌 佐治亚理工学院的研究人员对这样的数字感到担忧是可以理解的，他们开始用机械方法而不是化学方法来对付 AMR。特别是，他们试图对付大肠杆菌、霍乱和沙门氏菌等革兰氏阴性菌，因为这些细菌含有一种保护性胶囊，使它们特别擅长对抗传统抗生素。该研究的第一作者 Anuja Tripathi 说："不使用化学品杀死革兰氏阳性细菌相对容易，但由于革兰氏阴性细菌的细胞膜厚且多层，因此对付它们是一个巨大的挑战。如果这些细菌持续存在于物体表面，它们就会迅速生长。我的目标是开发一种不含抗生素的杀菌表面，它能有效对抗革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌。"这项研究由佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院的博士后学者 Anjua Tripathi 领导特里帕蒂的团队利用电化学工艺蚀刻不锈钢表面，制造出成千上万个微小的微钉。然后，他们再次利用电化学方法将铜离子粘合到钢表面。结果，这种材料可以从两个方面消灭 AMR 病原体。尖刺撕碎了它们的保护外膜，而铜自古埃及时代起就以抗菌著称则进一步降解了它们的细胞膜。在测试中，钢和铜材料减少了 97% 的革兰氏阴性大肠杆菌，减少了 99% 的革兰氏阳性表皮葡萄球菌。实验表明，这种材料只需 30 分钟就能达到上述效果。事实上，新材料只含有一层很薄的铜，这意味着它避免了材料的高成本，从而使新的钢/铜组合保持在可承受的范围内。而且，由于它能用尖刺刺碎细菌，因此可以防止虫子演变成逃避死亡的手段，而化学处理方法却可以做到这一点。这已经不是我们第一次看到利用机械方法粉碎抗性细菌的材料了。仅在今年，我们就报道过一种受蜻蜓翅膀启发的尖刺钛材料，它能粉碎一种常见的呼吸道病毒；还报道过一种纳米晶体上的尖刺，它能在光照下旋转，将细菌切碎。佐治亚理工学院的这项研究在铜的基础上更进一步，而根据卫生机构关于 AMR 的可怕警告，我们真的有足够的办法来对抗超级细菌的攻击吗？这项研究发表在《小型》杂志上。 ... PC版： 手机版：