一点点蜡和肥皂可以帮助制造更便宜的锂离子电池电极

2019-04-15 09:53:51
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根据8月11日发行的Nano Letters的一项研究,一点点蜡和肥皂可以帮助制造更便宜的锂离子电池电极。一步法将允许电池开发商探索目前市场上锂离子金属氧化物电池的低价替代品。

“石蜡提供了培养良好电极材料的媒介,”能源部太平洋西北国家实验室的材料科学家Daiwon Choi说。“这种方法将帮助研究人员研究基于更便宜的过渡金属(如锰或铁)的阴极材料。”

消费者使用长效可充电锂离子电池,从手机到最新的便携式设备。一些汽车制造商希望在车辆中使用它们。目前大多数锂离子电池都采用金属氧化物,如钴,镍或锰。PNNL和宾夕法尼亚州纽约州立大学的Choi及其同事希望探索更便宜的金属和更稳定的磷酸盐来代替氧化物。

充电故事

这些可充电电池起作用是因为锂是自私的并且想要自己的电子。带正电的锂离子通常悬挂在金属氧化物中,即电池中稳定的正极。金属氧化物与锂离子充分共享其电子。

用电充电将电子泵入负电极,当锂离子看到电池上的自由漂浮的负电荷时,它们会被远离金属氧化物笼吸引。因此,关闭锂离子,放弃金属氧化物及其共享电子,花时间享受自己的私人电子。

但这件事并没有持续下去 - 在电子设备中使用电池会产生一个导管,光滑的电子可以通过该导管流动。锂离子失去了电子,回到了等待的金属氧化物。充电开始整个肮脏的过程。

更便宜,更稳定

虽然氧化钴在锂电池中表现良好,但钴和镍比锰或铁更贵。此外,用磷酸盐代替氧化物为锂提供了更稳定的结构。

磷酸铁锂电池在一些电动工具和太阳能产品中可商购,但电极材料的合成是复杂的。Choi及其同事希望开发一种简单的方法将锂金属磷酸盐转化为良好的电极。

磷酸锰锂 - LMP - 理论上可储存一些可充电电池的最高能量,每克材料的重量为171毫安时。高存储容量使电池更轻。但是,与LMP合作的其他研究人员甚至还没有能够从他们合成的材料中获得每克120毫安的时间。

Choi认为,30%的容量损失可能是由于锂和电子不得不穿过金属氧化物,这是一种叫做阻力的物质。他认为,锂和电子离开阴极的距离越小,电阻就越小,电能就越多。较小的粒子会减小该距离。

但是生长较小的颗粒需要较低的温度 不幸的是,较低的温度意味着金属氧化物分子不能很好地排列在晶体中。随机性不适合阴极材料,因此研究人员需要一个框架,其中成分 - 锂,锰和磷酸盐 - 可以自己排列成整洁的晶体。

打蜡,打蜡

石蜡由长直分子组成,它们不会反应太多,长分子可能有助于排列。肥皂 - 一种叫做油酸的表面活性剂 - 可能有助于生长的晶体均匀分散。

因此,Choi及其同事将电极成分与熔化的石蜡和油酸混合,让晶体在缓慢升高温度时生长。到400摄氏度(沸水温度的四倍),形成了晶体,蜡和肥皂沸腾了。材料科学家通常会通过对金属进行高温加热来加强金属,因此团队将温度提高到更高的温度,将晶体融合成一个平板。

“这种方法比其他制造磷酸锰锂阴极的方法简单得多,”Choi说。“其他团队有一个复杂的,多步骤的过程。我们混合所有组件并将其加热。”

为了测量微小板的大小,该团队使用了位于PNNL校园的DOE环境分子科学实验室EMSL的透射电子显微镜。近距离,细小的细长矩形戳到了每一个方向。纳米板厚度约为50纳米 - 比人类头发薄约一千倍 - 一侧高达2000纳米。其他分析表明晶体生长适合于电极。

为了测试LMP,该团队将纳米板彼此相互振动并添加了导电碳背衬,其用作正电极。该团队测试了材料在快速或缓慢充电和放电后可以储存多少电量。

当研究人员在一天内缓慢地对纳米片进行充电然后将其放电时,LMP微型电池每克材料的保持时间略高于150毫安,比其他研究人员所能达到的要高。但是当电池快速放电时 - 比如说,在一小时内,电池就会下降到117左右,与其他材料相比。

当它在两天内缓慢充电和放电时,其最佳性能达到每克168毫安时的理论最大值。在一小时内充电和放电 - 这是用于消费电子产品的合理目标 - 允许它每克储存54毫安小时。

尽管这种版本的LMP电池的充电速度比其他阴极材料慢,但Choi表示,这项工作的真正优势在于,简单的一步法将让他们探索传统上难以使用的各种廉价材料。开发锂离子充电电池。

未来,该团队将改变他们如何将碳涂层纳入LMP纳米片,这可能会提高其充电和放电速率。

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