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半岛APP官方网站-可充电氧离子电池,媲美锂电池的工业储能新选择?2023-11-05

2023-11-05

洁净能源革命带火了锂离子电池(LIBs),得益在其优良的机能和成熟的手艺,锂离子电池被普遍用在便携式电子产物、电动汽车和储能范畴。

可是不成否定的是,出产锂电池所需的首要金属元素如锂、钴和镍等在地壳中的资本有限且散布不均,致使原材料供给不足与需求过快增加的矛盾日趋凸起。同时,锂离子电池会跟着时候的推移而退化,贮存电量愈来愈少,且易着火,而锂电池制造和收受接管进半岛全站下载程中酿成的情况污染也不容轻忽。

是以,从当下蓬勃成长的钠离子电池到行将走出尝试室的钾离子电池,科研人员一向致力在寻觅新的资本丰硕、情况友爱的锂电池替换品。

近日,奥地利维也纳工业年夜学的研究团队另辟门路,用氧化物陶瓷制造出一种可充电的氧离子电池,其本钱相对较低,利用寿命长,合适需要年夜范围贮存电能的场所。相干论文已颁发在美国《进步前辈能源材料》杂志上,新电池理念的专利申请也已与来自西班牙的合作火伴一路提交。

研究人员暗示,该新型氧离子电池的能量密度比锂离子电池低,不合用在智妙手机和电动汽车等产物,但其储电能力可保持长时候不阑珊,对工业储能有适用价值,例如贮存风力发电发生的电能。另外,该电池可以在不含罕见元素的环境下出产,而且由不成燃材料制成,相较在锂离子电池具有较着的本钱优势和平安优势,有望成为将来年夜型储能系统的绝佳解决方案。

图说:研究团队Jürgen Fleig传授, Tobias Huber, Alexander Schmid (从左至右)

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陶瓷材料成为新的解决方案

新型氧离子电池的法门在在陶瓷材料的利用。首要研究人员之一,维也纳工业年夜学化学手艺与阐发研究所的 Alexander Schmid 说:“很长一段时候以来,我们在可用在燃料电池的陶瓷材料方面堆集了丰硕的经验,这让我们发生了研究这类材料是不是也合用在制造电池的设法。”

夹杂导电氧化物常常被研究作为固体氧化物燃料或电解电池的电极材料。但是,原则上它们也能够实现近似在电池电极典型的电荷存储:情势上的中性氧可以经由过程覆灭氧空位和发生电子空穴来连系,近似在锂离子电池电极中锂的连系。是以,具有分歧还原性的电极答应氧化物离子电池的运行。

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维也纳工业年夜学的研究团队利用一种名为氧化钇不变氧化锆的陶瓷材料作为电解质。陶瓷材料可接收和释放带双负电荷的氧离子。当施加电压时,氧离子从一种陶瓷材料迁徙到另外一种陶瓷材料,以后可以使它们再次迁徙回来,从而发生电流。

图说:固体氧化物燃料/电解电池和锂离子电池电极之间的类似性:两个电极都可以正式存储中性物资(O 或 Li),此处以深蓝色显示。另外,固体氧化物燃料电池 (SOFC)电极可以与年夜气互换中性物资,如浅虚线箭头所示。假如后一条路径被梗阻,SOFC 电极的行动近似在 LIB 电极。

在研究中,科研人员证实了固态氧离子电池确切可以在350至500℃下制造和运行,其机能接近在从缺点化学斟酌的预期。具有 MIEC 薄膜电极的氧化钇不变氧化锆 (YSZ) 单晶电解质被用作模子电池,研究人员在半电池丈量中肯定了电极的充电/电压特征。丈量成果显示,在0.2和-1.1V的电位下,体积电荷密度高达350 mA h cm-3。操纵LSF阴极和LSCrMn阳极制造的固态氧离子电池,在电池电压为0.6V的规模内,体积容量高达120 mA h cm-3(归一在电极体积)。同时,具有 LSF 阴极和 LSCrMn 阳极的电池在 350 至 400 °C 下成功运行,电极相干能量密度高达 70 mW h cm -3,库仑效力 >99% ,并显示了杰出的轮回机能。

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氧离子电池的优势

与其他电池手艺(如锂离子、钠硫或 ZEBRA 电池)比拟,新型氧离子电池具有某些怪异的优势。它们仅由固体、不容易燃的氧化物构成,在装备呈现故障的环境下,平安风险峻小很多。另外,它们可以首要由丰硕的元素(例如,Fe、Ca、Ti、Cr、Mn)制成,特殊是它们不依靠在钴或锂等要害元素。

图说:将氧离子电池与其他电化学手艺的潜伏功率端能量密度进行比力

“根基道理现实上与锂离子电池很是类似,”Jürgen Fleig 传授说。“但我们的材料有一些主要的优势。陶瓷不容易燃——是以几近可以解除锂离子电池几回再三产生的火警变乱。另外,不需要昂贵或对情况有害的体例提取的罕见元素。”

另外一位首要研究人员Tobias Huber则暗示:“利用陶瓷材料是一个很年夜的优势,由于它们可以很好地顺应,你可以相对轻易地用其他元素替代某些难以取得的元素。” 电池的原型依然利用镧——一种不完全罕见但也不完全常见的元素,但即便是镧也将被更廉价的物资代替,对此的研究已在进行中。

除本钱和平安优势,新型氧离子电池最主要的优势在在其潜伏的利用寿命。“在很多电池中,你会碰到电荷载体在某些时辰没法再移动的问题,”Alexander Schmid 说,“然后它们就不克不及再用来发电了,电池的容量就会降落。颠末屡次充电轮回后,这可能会成为一个严重的问题。” 但是,氧离子电池可以毫无问题地再生能量:假如氧气因为副反映而损掉,那末损掉可以简单地经由过程情况空气中的氧气来抵偿。

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将来利用

新型氧离子电池不合用在智妙手机或电动汽车,由于其能量密度只能到达锂离子电池的三分之一摆布,而且工作温度在 200 至 400 °C 之间。但是,这项手艺在能量贮存方面使人兴奋。氧离子电池的潜伏利用包罗再生电源的供需均衡系统或其他在高温情况下固定利用。

“例如,假如你需要一个年夜型储能单位到临时贮存太阳能或风能,那末氧离子电池多是一个很好的解决方案,”Alexander Schmid 说。“假如你建造一整栋布满储能模块的建筑,较低的能量密度和较高的工作温度不会起决议性感化。但我们电池的优势在那边尤其主要:利用寿命长,可以年夜量出产不含罕见元素的材料,并且这些电池没有火警隐患。”

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