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改變游戲規(guī)則!二維材料助力鋰空氣電池將帶來(lái)突破
日期:2019-01-17   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:anni_hyp 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
編者按:鋰空氣電池采用二維材料上自由運(yùn)動(dòng)制成的先進(jìn)催化劑,儲(chǔ)能能力是普通鋰離子電池的10倍,重量也輕得多,有效突破原始電池儲(chǔ)能。

鋰空氣電池有望成為目前電動(dòng)汽車、手機(jī)和電腦使用的鋰離子電池的下一個(gè)革命性替代品。
  
鋰空氣電池目前仍處于研發(fā)的試驗(yàn)階段,它的儲(chǔ)能能力是普通鋰離子電池的10倍,而且重量也輕得多。也就是說(shuō),如果采用二維材料(指電子僅可在兩個(gè)維度的非納米尺度[1-100nm]上自由運(yùn)動(dòng)[平面運(yùn)動(dòng)]的材料)制成的先進(jìn)催化劑,鋰空氣電池的效率甚至可能更高,充電能力也會(huì)更強(qiáng)。催化劑有助于提高電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速率,而且根據(jù)催化劑所使用的材料的類型,它們可以顯著提高電池保持和提供能量的能力。
  
UICs工程學(xué)院機(jī)械與工業(yè)工程副教授Amin Salehi-Khojin說(shuō):“我們將需要非常高的能量密度來(lái)為手機(jī)、筆記本電腦,尤其是電動(dòng)汽車所采用的新技術(shù)提供動(dòng)力。”Salehi-Khojin和他的同事合成了幾種可以作為催化劑的二維材料。他們發(fā)現(xiàn)一些二維材料,當(dāng)作為催化劑加入實(shí)驗(yàn)鋰空氣電池時(shí),使電池比含有傳統(tǒng)催化劑的鋰空氣電池的能量多出10倍。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上。
  
這篇論文的通訊作者薩利希-霍金(Salehi-Khojin)說(shuō),目前,電動(dòng)汽車每次充電平均行駛約100英里,但如果在鋰空氣電池中加入二維材料催化劑,我們可以每次充電行駛近400到500英里,這將是一個(gè)真正的游戲規(guī)則改變者。這將是能源儲(chǔ)存的一個(gè)巨大突破。
Salehi-Khojin和他的同事合成了15種不同類型的二維過(guò)渡金屬雙硫族化合物。TMDCs是一種獨(dú)特的化合物,因?yàn)樗哂泻芨叩碾娮訉?dǎo)電性和快速的電子轉(zhuǎn)移能力,可以用來(lái)參與和其他材料的反應(yīng),例如在充電和放電時(shí)電池內(nèi)部發(fā)生的反應(yīng)。
  
研究人員在模擬鋰空氣電池的電化學(xué)系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)了15種TMDCs作為催化劑的性能。
  
UIC工程學(xué)院的研究生Leily Majidi是這篇論文的第一作者,他解釋說(shuō),在二維結(jié)構(gòu)下,TMDCs具有更好的電子性能和更大的反應(yīng)表面積,可以在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的情況下參與電池內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)。
  
Majidi說(shuō),與金或鉑等傳統(tǒng)催化劑相比,這些材料的反應(yīng)速度要快得多。
  
2D TMDCs表現(xiàn)如此出色的原因之一是,它們有助于加速鋰空氣電池的充放電反應(yīng)。
  
Salehi-Khojin說(shuō),這就是所謂的催化劑的雙功能。
  
二維材料還能與電解質(zhì)協(xié)同作用,電解質(zhì)是離子在充電和放電過(guò)程中通過(guò)的材料。
  
我們使用的2D TDMCs和離子液體電解質(zhì)作為一個(gè)輔助催化劑系統(tǒng),幫助電子更快地轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致了更快的電荷轉(zhuǎn)移、更有效的儲(chǔ)存和釋放能量。
  
Salehi-Khojin說(shuō):“這些新材料代表了一種新的途徑,可以將電池提升到一個(gè)新的水平。我們只需要找到方法,在更大的規(guī)模上更有效地生產(chǎn)和調(diào)整電池。”
  
芝加哥伊利諾伊大學(xué)的Poya Yasaei、Zahra Hemmat、Pedram Abbasi、Shadi Fuladi、Xuan Hu、Robert Klie、Fatemeh Khalili-Araghi和Baharak Sayahpour以及普渡大學(xué)的Robert Warburton和Jeffrey Greeley是這篇論文的共同作者。
  
這項(xiàng)研究得到了國(guó)家科學(xué)基金會(huì)DMREF基金1729420的部分支持。

原標(biāo)題:改變游戲規(guī)則!二維材料助力鋰空氣電池將帶來(lái)突破
 
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