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美研发MXene锂电池电极 电动车充电或仅需数秒

据外媒报道,美国德雷塞尔大学(Drexel University)的材料科学与工程学专业的研究员们与法国、以色列研究人员共同设计了新款锂电池电极,或许未来电动车的充电耗时只需短短数秒。

美研发MXene锂电池电极 电动车充电或仅需数秒

新款锂离子电池电极简介

新款锂电池的电极采用了一款名为MXene的二维材料,其导电性高。据研究团队透露,未来新款锂电池或许能实现电动车的“近即时(near-instant)”充电。

他们表示,新电极或将解决长久以来一直困扰电动车市场的一大技术难题。在早前的研究中,该团队将目光放到了超级电容器(supercapacitors)上,该器件是便携式电子产品的储能设备。可惜的是,该器件仅能被用于快速充放电,无法长期储能。

如今,德雷塞尔大学的工程学研究员们采用了MXene材料,结合了超级电容器与传统大容量电池的优点和特性。

首席研究员Yury Gogotsi表示,团队的研究成果驳斥了普遍接受的业内教条(dogma)——相较于双电层电容器(electrical double-layer capacitors)内所用的物理存储器(physical storage),电池内化学物质的电荷存储(chemical charge storage)的充电速率要慢得多。

Gogotsi在一份声明中宣称:“我们抽取了薄薄的一层MXene电极,用于演示充电速率,整个充电过程只需数十毫秒。这主要得益于MXene材质的超高导电性,为未来研发超快速储能设备铺平了道路,未来锂电池的充放电耗时将仅需数秒,且所储存的电能要远高于常规的超级电容器。”

美研发MXene锂电池电极 电动车充电或仅需数秒

MXene材质简介

MXene是一款扁平的纳米材料,于2011年被德雷塞尔大学材料科学与工程系的研究人员所发现,其外观酷似三明治,由氧化物与导电的碳及金属填充物构成,而氧化物相当于三明治中的面包,将填充物夹在中间。在材料制造过程中,研究人员将采用层压法来制作MXene。不妨想象下桶装品客薯片的样子,该材质的各层材料就是如此堆叠而成的。

MXene材质电极的弊端及改进

尽管MXene的导电性相当出色,但其结构不利于锂离子在电池内的扩散。对于锂电池的储能而言,锂离子留在氧化还原活性位置(redox active sites),这类位置的数量越多,电池保有的电量就越大。重要的是,电池还使锂离子能够自由移动,否则其无法到达氧化还原活性位置。

为使MXene的锂离子能自由移动,研究人员对其结构进行了一定的调整。研究人员将MXene与水凝胶(hydrogel)相混合,改变了其结构,使锂离子能自由移动。

Yury Gogotsi表示:“理想的电极架构是多通道结构(multi-lane),以便锂离子高速移动。研究团队研发的大孔隙电极设计恰好实现了该目标,使充电过程短短数秒内完成。”

MXene电极的未来展望

该大学表示,该款电池材料的研发应用具有重要意义,其在很大程度上解决了目前电动车推广受阻的一大技术难题。

Gogotsi表示:“若未来该款低维导电材质电池电极得到采用,将大幅提升电池的充电效率及电量,进而将提升车辆、笔记本电脑、手机电池的充电速率,只需数秒或数分钟就能完成,无需苦等数小时。”

Gogotsi表示,采用MXene作为电极材料的最大好处在于其导电性。但研究团队也承认,该电极材料及相关技术看似颇具前景,但目前仍不确定试制成功并用于车辆后的实际情况,但他们表示,一旦应用到车辆及手机中,将彻底颠覆当前所用的电池。

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