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新型電極材料問世 極大增加鋰電池容量

   2013-11-06 科學時報

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核心提示:近年來,電動汽車因其環保特性而備受推崇,但與汽油車相比,較短的行駛里程限制了其進一步的發展。日前,新加坡科技研究局下屬材

近年來,電動汽車因其環保特性而備受推崇,但與汽油車相比,較短的行駛里程限制了其進一步的發展。

日前,新加坡科技研究局下屬材料與工程研究院的劉兆林(音譯)與中國復旦大學的于艾水(音譯)等研究人員,通過研制一種新型鋰離子電極材料,增大了鋰離子電池的容量,或將幫助電動汽車行駛得更遠。相關研究成果日前發表于《電化學通訊》。

據了解,鋰離子電池通過使鋰離子在電極兩端來回穿梭實現充電與放電過程。例如,在充電時,鋰離子從通常由鋰鈷氧化物制造的陽極材料上脫嵌,穿過隔膜和電解液,嵌入到陰極中。放電則以相反的過程進行。

在通常情況下,鋰離子電池的陰極由充斥著微小孔隙的石墨材料制造。之前有研究發現,相比石墨材料,氧化鐵材料能夠讓電池擁有更大的容量。但用氧化鐵材料作為陰極的電池的充電過程十分緩慢,同時,這種材料在經歷數次充放電循環之后,就會被鋰離子破壞,進而影響電池容量。

而在最新的研究中,劉兆林和于艾水推測,相比氧化鐵陰極,陰極由氧化鐵納米粒子制造的電池的充電過程或許將會快許多,因為這種納米材料的孔隙十分合適鋰離子嵌入。并且,這些孔隙還能夠隨著鋰離子嵌入而作出相應的改變。

為了驗證這一想法,研究人員通過在水中加熱硝酸鐵,得到了大小為5納米的氧化鐵粒子,也就是α-Fe2O3。然后,他們將這些粒子與炭黑粉末相混合,利用聚偏二氟乙烯加以固定,將這一混合物覆蓋在銅箔上面,最終制成電池陰極。

實驗表明,在第一輪充放電過程中,使用新型陰極電池的轉化效率為傳統電池的75%~78%,但是,經過幾輪充放電,新型電池的效率達到了傳統電池的98%。

對此,研究人員表示,電池的效率之所以會逐漸提高,是因為在前幾輪的充放電過程中,氧化鐵納米粒子被分解到合適的尺寸。而98%這一數據則表明,新型電池已經十分接近目前商用鋰電池的水平。

此后的實驗表明,大約在230次循環之后,新型電池的效率還維持在97%左右。而且令人欣喜的是,這種電池的容量達到了1009毫安時/克,幾乎比傳統石墨陰極電池高出了三倍。同時,新型電池沒有遇到困擾其他氧化鐵陰極電池的退化問題。

目前,該團隊正在優化納米合成過程,并且著手提高氧化鐵納米電極在初始循環中的轉化效率。



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