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编译服务: 纳米科技领域信息门户服务 编译者: 郭文姣 编译时间: May 15, 2019 点击量: 26

研究人员已经建立了一种更高效,更可靠的钾氧电池,迈向了国家电网储能解决方案的一步,以及手机和笔记本电脑中更长久的电池。

在周五发表在“电池与超级电容”杂志上的一项研究中,来自俄亥俄州立大学的研究人员详细介绍了他们的研究结果,其中心是电池阴极的构造,它将化学反应产生的能量存储在金属 - 氧气或金属 - 空气电池中。研究人员表示,这一发现可以通过更便宜,更高效的储能,使太阳能和风能等可再生能源成为更可行的电网选择。

“如果你想为电网选择一个全可再生的选项,那么你需要能够存储多余电力的经济型储能设备,并在你没有准备好或工作时将电源恢复原状,”Vishnu说道。 Baba Sundaresan,该研究的合着者,俄亥俄州立大学机械和航空航天工程教授。 “像这样的技术是关键,因为它便宜,不使用任何异国材料,它可以在任何地方制造,并促进当地经济。”

可再生能源不会排放二氧化碳,因此它们不会导致全球变暖 - 但它们只有在阳光明媚或风吹时才能提供能量。为了使它们成为一个地区能源网的可靠电力来源,需要有一种方法来储存从阳光和风中收集的多余能量。

世界各地的公司,科学家和政府正致力于存储解决方案,从锂离子电池 - 许多电动汽车的大型电池 - 到使用金属钒制造的大型商店大小的巨型电池。

钾氧电池自2013年发明以来一直是储能的潜在替代品。由化学教授Yiying Wu领导的俄亥俄州立大学的一组研究人员表示,电池可以比锂氧电池更有效,同时存储大约是现有锂离子电池的两倍。但钾 - 氧电池尚未被广泛用于储能,因为到目前为止,他们还没有足够的时间进行充电以达到成本效益。

当团队试图制造可能成为可行存储解决方案的钾 - 氧电池时,他们不断陷入障碍:电池每次充电都会降级,永远不会超过5或10个充电周期 - 远远不足以制造电池用于存储电力的经济高效的解决方案。这种退化的发生是因为氧气悄悄进入电池的阳极 - 这个地方允许电子为设备充电,无论是手机还是电网。氧气导致阳极损坏,使电池本身无法再充电。

Sundaresan实验室的博士候选人Paul Gilmore开始将聚合物纳入阴极,看看他是否能够保护阳极免受氧气的影响。如果他能找到办法做到这一点,他想,这会让钾氧电池更长寿命。事实证明他是对的:团队意识到聚合物的膨胀在其性能中发挥了至关重要的作用。 Gilmore说,关键是找到一种方法将氧气带入电池 - 这是工作所必需的 - 不会让氧气渗入阳极。

这种设计有点像人肺:空气通过纤维碳层进入电池,然后遇到第二层,这是第二层稍微多孔,最后在第三层结束,第三层几乎没有多孔。由导电聚合物制成的第三层允许钾离子穿过阴极,但限制分子氧进入阳极。该设计意味着电池可以充电至少125次 - 使钾氧电池的使用寿命超过以前使用低成本电解质的寿命的12倍。

Sundaresan说,这一发现表明这是可能的,但该团队的测试尚未证明电池可以按电网存储所需的规模制造。但是,它确实显示出潜力。

Gilmore表示,钾氧电池在其他应用中也有潜力。

“氧气电池具有更高的能量密度,这意味着它们可以改善电动汽车的范围和便携式电子产品的电池寿命,例如,在钾氧电池可用于这些应用之前必须克服其他挑战,”他说。

这一发现提供了锂离子电池和其他依赖钴的替代品,这种材料被称为“电池的血钻”。采购这种材料令人不安,包括TESLA在内的大公司已经宣布计划完全将其从电池中取出。

“用于大规模应用的电池不使用钴是非常重要的,”Sundaresan说。

并且电池可以廉价制造也很重要。锂 - 氧电池 - 一种被广泛认为是最可行的选择之一的可能储能解决方案 - 可能很昂贵,并且许多依靠稀缺的资源,包括钴。为许多电动汽车提供动力的锂离子电池在材料水平上的成本约为每千瓦时100美元。

研究人员估计,这种钾 - 氧电池每千瓦时的成本约为44美元。

“当谈到电池时,一种尺寸并不适合所有电池,”Sundaresan说。 “对于钾 - 氧和锂 - 氧电池,使用它们作为电网备用电源的成本已经过高。但是现在我们已经证明我们可以制造这种便宜且稳定的电池,那么它就能与其他电池竞争网格电源备份技术。

“如果你有一个便宜的小电池,那么你可以谈论扩大它。如果你有一个1000美元的小电池,那么扩大它是不可能的。这打开了扩大规模的大门。 “

这项工作由国家科学基金会资助。

——文章发布于2019年5月13日

 

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