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研究:新型氟电池有望代替锂电池

时间:2021-01-04 10:19 来源:华夏传媒网  ■  佚名 点击:
   

最近发表在十二月的《材料化学A刊》Journal of Materials Chemistry A上的一份研究提出用氟电池代替锂电池的设计方案。氟是相对于锂来说,资源更加丰富的替代材料。

现在大部分电池使用锂和钴,两种都是稀有元素。日本的研究者也在研发氟离子电池替代锂电池做为汽车电池。他们说氟电池单次充电可跑1000公里。只是目前的氟离子电池充放电的寿命短,在充电和放电的周期下,损坏很快。

这份研究称,采用了另一种氟离子电池的设计,可以解决这个问题。

美国圣路易斯华盛顿大学机械工程与材料科学助理教授米什拉(Rohan Mishra)说,新设计采用是的分层离子化合物(electride)系统。

米什拉说,离子化合物是一种相对新的材料,理论引入已经大约有50年了,但是直到最近的1015年里,科学家才开始了解它们的特性。

普通导电材料内,电子像“海水”般在晶体内四处流动,而在离子化合物内,电子是负离子,像离子一样驻留在晶体结构内特定的间隙位置。

米什拉说:“我们预测,在对晶体结构不会造成显着影响的情况下,这些间隙电子可以容易地被氟离子代替,从而实现充放电周期。由于分层离子化合物相对开放的结构特点,氟离子也易于移动和均匀地分布。”

这份研究借助人工智能进行量子力学计算,从大量的候选材料中确定了这个设计方案:将氟化物引入由氮化二钙和次碳化钇组成的分层离子化合物的间隙中。

利用人工智能辅助进行材料设计,是现在很多研究领域采用的方法。传统的材料设计需要经过设计、在实验室用实物测试,再换材料,再设计,不断反复的过程,需要花费大量的时间和成本。利用人工智能可以大幅缩短研发时间,从大数据内自动为研究人员建议可能性较好的方案。

合作研究者洛斯阿拉莫斯国家实验室Los Alamos National Laboratory的哈特曼Steven Hartman从理论上说把氟离子加入传统的电极材料储电性能很好但是在充放电过程中这些电极材料胀大和缩小形变严重使得它们很容易断裂或失去导电性导致寿命短。

因此找到充放电过程中形变最小的设计方案,是设计出耐用氟电池的关键所在。哈特曼说:“在分层离子化合物材料里,我们预测,加入和移除氟离子的过程对材料结构的形变影响是很小的,因此可以实现较长的寿命。”

米什拉说,他们正在寻找合作方按照他们的设计造出电池原型并展开测试。

 

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