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德克萨斯州AM化学家开发强大的新型电池

发布日期:2018-05-15

重新设计的五氧化二钒亚稳相(V 2 O 5)作为镁电池的阴极材料显示出非凡的性能。该图比较了V2O5的常规(右)和亚稳结构。信用:贾斯汀安德鲁斯。 / em

翻过来,锂离子;

由德克萨斯农工大学化学家Sarbajit Banerjee领导的多机构科学家小组发现了一种特殊的金属氧化物镁电池正极材料,使研究人员更进一步推动提供更高密度储能的电池,以实现安全性,成本和性能与其普遍存在的锂离子(锂离子)相对应。

“全球推动可再生能源发展的努力受到能源存储媒介可用性的限制,”班纳吉在该小组的论文中表示,该论文发表在Chem出版社,由Cell Press出版的一本新的以化学为重点的期刊。 “目前,锂离子技术占主导地位;然而,锂的安全和长期供应仍然是严重的问题。相比之下,镁比锂更丰富,具有更高的熔点,再充电时可以形成光滑的表面,如果能够确定合适的阴极,则可以将能量密度提高5倍以上。“

具有讽刺意味的是,该团队的未来主义解决方案取决于重新设计的老式锂离子阴极材料五氧化二钒的形式,他们证明该材料能够可逆插入镁离子。

Banerjee说:“我们基本上重新配置了原子,为镁离子的传播提供了一条不同的途径,从而获得了一种可行的阴极材料,在电池放电和充电过程中,它们可以很容易地插入和拔出。

这种罕见的现象是通过将五氧化二钒的制造方式限制在相对不舒服的原子位置而实现的,这是基于五氧化二钒的特性 - 一种被称为亚稳态的性质。这种亚稳态有助于防止镁离子被困在材料中,并促进其电荷储存能力的完全收集,而在多次充电循环后材料的降解可以忽略不计。

插入的缺陷和缺陷

Banerjee是德克萨斯A&M化学系的戴维森科学教授,也是材料科学与工程系的附属教员,他一直在努力工作多年,以更好地理解离子嵌入 - 离子嵌入的关键过程,锂离子如锂并且镁在夹层电池内移入和移出其他材料。

使用世界上最强大的软X射线显微镜之一 - 扫描透射X X射线显微镜(STXM)和X射线发射光束线 - 在加拿大光源与伊利诺伊大学芝加哥分校(UIC)的Banerjee和世界上最高分辨率像差校正透射电子显微镜之一的合作中,劳伦斯伯克利国家实验室,UIC和阿贡国家实验室能够观察到他们新型五氧化二钒的独特电子性质,并直接证明镁离子嵌入到材料中。总之,该团队应用了数十年的材料科学综合经验,解释了这种新型五氧化二钒优于旧版本以及锂离子电池的根本原因。

笔记本电脑和手机是许多锂离子电池快速发展所带来的技术,与铅酸和镍金属氢化物前辈相比,这种技术革新了能量存储容量和可充电性。然而,鉴于锂不仅在便携式电子设备中广泛使用,而且越来越多地用于电动汽车和电网储能所需的大得多的电池,因此预计锂的长期供应将会越来越短缺。此外,锂离子电池是一种危险的游戏,正如科学美国人,路透社和福布斯最近广为流传的报告所强调的,例如,锂离子动力设备因基本原因而着火或爆炸锂的可燃性和反应性

“除了对消费者应用更安全之外,镁离子技术从根本上具有吸引力,因为每个镁离子每个离子放出两个电子 - 两次充电,而每个锂离子只放弃一个,”德克萨斯A&M化学研究生和NASA说。空间技术研究员贾斯汀安德鲁斯,该团队论文的第一作者。 “这意味着,除了所有其他的考虑因素,如果您可以将镁储存在材料中以储存锂,那么您的电池容量几乎可以翻倍。”

容量翻倍,麻烦加倍

但是对于他们所有的优势,镁电池已经被证明是太好了,因为它们是在20世纪90年代首次提出的,而且基本上被各种问题所忽略;主要是缺乏合适的阴极或正极 - 也就是电池的一部分,镁离子在电池放电期间进入,为电子设备供电,然后在充电过程中退出。

“确实,关于镁离子最令人兴奋的事情 - 也就是说,它们在电池应用中储存两次电荷 - 也构成了最大挑战的基础,”合作的UIC化学家Jordi Cabana说。 “镁离子的更高电荷使它们与周围的原子”粘在一起“更强烈。”

换句话说,Banerjee说,当镁离子穿过阴极材料内的路径时,镁离子会被遮住。它们的低迷运动使得制造可行的镁电池变得如此困难。

“在许多结构中,其中一些相互作用是非常有利的,这意味着镁很乐意坐在那些特定的场所,并保持一段时间,”安德鲁斯解释说。 “在我们的材料中,当镁在格子中移动时,它会'沮丧',因为它遇到了许多不太理想的环境。从这个意义上说,只是继续前进,导致能力和扩散能力的提高,我们感到非常高兴。“

该团队的美国国家科学基金会资助的研究分别以德克萨斯A&M现任和前任研究生Abhishek Parija和Peter M. Marley为特色。伯克利实验室分子铸造厂的设备总监David Prendergast是美国能源部纳米科学研究国家用户设施的助理,他帮助德克萨斯A&M团队设计并解释了他们的计算结果,这些计算结果部分由Fakra使用伯克利实验室的高级光源以及阿贡国家实验室先进光子源收集的结构数据。与UIC物理学家Robert F. Klie和物理研究生Arijita Mukherjee合作收集了五氧化二钒新形式的原子分辨图像,并显示了材料内插入镁的直接证据。电池测量显示可逆性并确认阴极材料的坚固性完成了故事,并与Cabana和前Cabana组成员Hyun Deog Yoo合作进行

该团队的美国国家科学基金会资助的研究分别以德克萨斯A&M现任和前任研究生Abhishek Parija和Peter M. Marley为特色。伯克利实验室分子铸造厂的设备总监David Prendergast是美国能源部纳米科学研究国家用户设施的助理,他帮助德克萨斯A&M团队设计并解释了他们的计算结果,这些计算结果部分由Fakra使用伯克利实验室的高级光源以及阿贡国家实验室先进光子源收集的结构数据。与UIC物理学家Robert F. Klie和物理研究生Arijita Mukherjee合作收集了五氧化二钒新形式的原子分辨图像,并显示了材料内插入镁的直接证据。电池测量显示可逆性并确认阴极材料的坚固性完成了故事,并与Cabana和前Cabana组成员Hyun Deog Yoo合作进行

”在纸面上,镁电池是非常理想的,因为它们承诺提高能量密度,解决几个关键问题的能力,研究人员 - 不幸的是,消费者 - 正在使用锂离子电池发现问题,包括成本,安全性和性能基本水平,“安德鲁斯说。 “但是从锂离子技术向镁离子技术的转变并不简单,设计镁离子阴极时遇到的许多问题阻碍了这些更可持续和更安全的电池的开发。”

为实现更安全的能源未来而努力

安德鲁斯说,该团队的研究标志着该领域的一个重要转折点,因为它代表了解决阴极问题的重大进展,同时也突出显示了使用像五氧化二钒这种新形式的更富想象力的亚稳态材料的固有优势。但即使他承认,在90年代这个特别的趋势回归之前还有很多工作要做。

“虽然这项研究提供了很多见解,但在镁电池成为现实之前还有其他一些基本问题需要克服,”安德鲁斯补充道。 “尽管如此,这项工作使镁电池向现实迈出了一步 - 也就是说,电池将更便宜,更轻便和更安全,以便更容易地应用于电动汽车所需的大面积格式,并储存太阳能所产生的能量和风源。“

出版物:Justin L.Andrews等人,“V2O5的亚稳态一维多晶型中的可逆镁离子插入”,Chem,2018; doi:10.1016 / j.chempr.2017.12.018

来源:德克萨斯农工大学Shana K. Hutchins