德州农工大学的化学家开发了一种功能强大的新型电池

工程师开发出强大的新型电池

五氧化二钒亚稳相的重新设计2O5)作为镁电池的正极材料,表现出非凡的性能。图示比较了V的常规(右)和亚稳定结构2O5。信用:贾斯汀安德鲁斯。

挪开,锂离子;现在,一款更好的电池即将问世。

由德克萨斯A&M大学化学家Sarbajit Banerjee领导的一个由多个机构组成的科学家团队发现了一种特殊的金属氧化物镁电池正极材料,使研究人员离提供具有更高能量存储密度的电池又近了一步,同时还在安全性方面取得了革命性进展。与随处可见的锂离子电池(Li-ion)相比,它们的成本和性能更优。

“世界范围内推进可再生能源的努力受到了能量存储载体的可用性的限制,”Banerjee在团队的论文中说,该论文发表在《化学》杂志上,这是细胞出版社出版的一份新的化学期刊。yabovip2021“目前,锂离子技术占主导地位;然而,锂的安全性和长期供应仍然是一个严重的问题。相比之下,镁的含量要比锂丰富得多,熔点也更高,充电时会形成光滑的表面,而且如果能找到合适的阴极,镁的能量密度可能会增加5倍以上。”

具有讽刺意味的是,该团队的未来解决方案依赖于一种重新设计的旧锂离子阴极材料,五氧化二钒,他们证明这种材料能够可逆地插入镁离子。

“我们本质上重新配置了原子以提供不同的镁离子的途径,从而获得可行的阴极材料,其中可以容易地插入并在电池充电期间插入和提取,”Banerjee说。

通过将镁离子的位置限制通过设计的方式将镁离子的位置限制为相对不舒服的原子位置来实现的,这是基于钒五氧化钒的方式 - 一种称为亚稳态的性质。该稳定性有助于防止镁离子被捕获在材料内,并促进其充电储存能力的完全收集,并且在许多充电补给循环后材料的可忽略劣化。

插入的来龙去脉

德克萨斯州戴维森科学教授德克萨斯州化学系和材料科学与工程系的附属教师,一直在多年来才能更好地了解离子嵌入 - 锂电子等离子嵌入的关键过程yabovip2021镁和镁在插入电池内移出其他材料。

使用世界上最强大的软x射线显微镜之一-扫描透射x射线显微镜(STXM)和x射线发射束线-在加拿大的光源下,Banerjee和劳伦斯伯克利国家实验室的合作者们,连同世界上最高分辨率的像差校正透射电子显微镜(位于芝加哥伊利诺斯大学),UIC和Argonne国家实验室能够观察到他们的新型五氧化钒的独特电子特性,并直接证明镁离子嵌入到材料中。该团队运用数十年材料科学的综合经验,从根本上解释了这种新型五氧化钒优于旧版本和锂离子电池的原因。

笔记本电脑和手机是通过锂离子电池的快速发展实现的许多技术的两个例子,其彻底改变了能量储存能力和可靠性与其引线相比 -和镍金属氢化物前辈。然而,考虑到锂不仅在便携式电子设备中使用而且越来越多地在电动车辆和电网储能所需的电池中越来越多的电池中,预计锂在长期内供应越来越短。此外,锂离子电池是一个风险的游戏,如近期科学美国,路透社和福布斯详述的最新宣传报告所突出的,例如,其中锂离子动力设备由于基本而被引起了火灾或爆炸锂的易燃性和反应性。

“除了消费者应用中的更安全之外,镁离子技术在根本上吸引,因为每个镁离子给出两个电子每离子 - 两倍的电荷,而每个锂离子只能,”德克萨斯州A&M化学研究生和yabovip2021美国宇航局Space Technology Research Sullin Andrews,团队论文的第一作者。“这意味着,除了尽可能多地存储锂电池的材料中的所有其他考虑,如果您可以存储锂,则立即将电池的容量倍增。”

双倍容量,双倍麻烦

尽管镁电池有很多优点,但自从上世纪90年代镁电池首次被提出以来,它的性能一直好得令人难以置信,因为各种各样的问题,镁电池基本上被搁置了下来。主要原因是缺少合适的正极,也就是镁离子在电池放电时进入为电子设备供电,然后在充电时离开的部分。

“实际上,关于镁离子的最令人兴奋的事情 - 即,他们存储两倍的电池应用中的电荷 - 也构成了最大挑战的基础,”合作UIC Chemist Jordi Cabana说。“镁离子的较高电荷使它们与周围原子更强烈地”粘附“。”

换句话说,Banerjee说,镁离子在穿过阴极材料的路径时遭到了伏击。它们缓慢的移动使得制造可行的镁电池非常困难。

“在许多结构中,其中一些互动是非常有利的,这意味着镁在那些特定网站中坐下来坐下来,”Andrews解释道。“在我们的材料中,镁在通过格子移动时”沮丧“,因为它遇到了许多不太优越的环境。从这个意义上讲,只要继续行动,就会竭尽全力,导致能力和扩散的改善。“

该团队的国家科学基金会资助研究包括两名额外的当前和前德克萨斯州A&M毕业生,Abhishek Parija和Peter M. Marley。David Prendergast, a Facility Director at Berkeley Lab’s Molecular Foundry, a U.S. Department of Energy National User Facility for Nanoscale Science Research, helped the Texas A&M team design and interpret their calculations, which were experimentally verified in part by Fakra using Berkeley Lab’s Advanced Light Source along with structural data collected at Argonne National Lab’s Advanced Photon Source. Atomic resolution images of the new form of vanadium pentoxide were collected in collaboration with UIC physicist Robert F. Klie and physics graduate student Arijita Mukherjee and show direct evidence of magnesium intercalated within the material. Battery measurements that show reversibility and confirm the robustness of the cathode material complete the story and were conducted in collaboration with Cabana and former Cabana group member Hyun Deog Yoo.

该团队的国家科学基金会资助研究包括两名额外的当前和前德克萨斯州A&M毕业生,Abhishek Parija和Peter M. Marley。David Prendergast, a Facility Director at Berkeley Lab’s Molecular Foundry, a U.S. Department of Energy National User Facility for Nanoscale Science Research, helped the Texas A&M team design and interpret their calculations, which were experimentally verified in part by Fakra using Berkeley Lab’s Advanced Light Source along with structural data collected at Argonne National Lab’s Advanced Photon Source. Atomic resolution images of the new form of vanadium pentoxide were collected in collaboration with UIC physicist Robert F. Klie and physics graduate student Arijita Mukherjee and show direct evidence of magnesium intercalated within the material. Battery measurements that show reversibility and confirm the robustness of the cathode material complete the story and were conducted in collaboration with Cabana and former Cabana group member Hyun Deog Yoo.

“在纸上,镁电池是非常理想的,因为它们承诺在解决研究人员的几个关键问题的能力之外的最大能量密度 - 以及不幸的是消费者 - 正在发现锂离子电池,包括成本,安全和性能最基本的水平,“安德鲁斯说。“但是从锂 - 镁离子技术的转变并不简单,并且在设计镁离子阴极时遇到的许多问题都是这些更可持续和更安全的电池的发展。”

努力走向更安全的能源未来

安德鲁斯表示,该团队的研究标志着该领域的重要转折点,因为它代表了解决阴极问题的重要进步,同时还突出了使用这种新形式的五氧化钒等更具想象力的亚氧化物材料的固有优势。但即使他承认,在这个特殊的90年代趋势回归时尚之前还有更多的工作要做。

安德鲁斯补充道:“虽然这项研究提供了大量的见解,但在镁电池成为现实之前,还有其他几个基本问题需要克服。”“尽管如此,这项工作让镁电池离现实又近了一步——换句话说,镁电池将更便宜、更轻、更安全,更容易被用于电动汽车所需的大面积电池,并存储太阳能和风能产生的能量。”

出版物:Justin L. Andrews,等,“v的亚稳态一维多晶型物中的”可逆Mg离子插入2O5,“化学,2018;doi: 10.1016 / j.chempr.2017.12.018

2评论在“德克萨斯州A&M Chemither开发出强大的新型电池”

  1. 对环境造成的影响?方便地遗漏了。钠离子电池。它们可能是尺寸的2倍,但不是基于异国情调的材料。

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