《電子技術(shù)應(yīng)用》
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新式氟化鐵電池讓蓄電量提高3倍

2015-04-28

       美國(guó)威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校(University of Wisconsin–Madison)與布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Brookhaven National Laboratory;BNL)的研究人員們攜手開(kāi)發(fā)出一款新型的 X射線成像技術(shù),用于研究鋰離子充電電池在含氟化鐵時(shí)的電化學(xué)反應(yīng);這種含氟化鐵的鋰離子電池據(jù)稱(chēng)能夠儲(chǔ)存較現(xiàn)有電池更高三倍的容量。
       “氟化鐵具有讓傳統(tǒng)鋰離子電池儲(chǔ)存量提高三倍的潛力,”威斯康辛大學(xué)麥迪遜分?;瘜W(xué)系教授Song Jin解釋?zhuān)叭欢?,我們還未能發(fā)掘其真正的潛力。”
       Song Jin與該校研究生Linsen Li及其他研究人員們?cè)诓剪斂撕N膰?guó)家實(shí)驗(yàn)室全國(guó)同步加速器光源(NSLS)中,采用先進(jìn)的穿透式X射線顯微技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。研究人員們從填滿(mǎn)氟化鐵的實(shí)際鈕扣電池中收集電池循環(huán)期間的化學(xué)地圖,以確定電池性能。研究結(jié)果刊登在《自然通訊》(Nature Communications)期刊中。

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           化學(xué)相圖顯示氟化鐵微絲從0%放電(左)、50%(中)到95%(右)的電化學(xué)放電過(guò)程。
       “過(guò)去,我們無(wú)法真的了解氟化鐵在電池反應(yīng)期間發(fā)生什么情況,因?yàn)槠渌姵卦恋K了精確影像的取得,”Li說(shuō)。
       藉由考慮可能混淆影像的背景訊號(hào),研究人員們就能夠以奈米級(jí)的準(zhǔn)確度,顯示與測(cè)量氟化鐵在充電與放電時(shí)的化學(xué)變化。
       在可充電的鋰離子電池中加入氟化鐵,為科學(xué)家們帶來(lái)了兩項(xiàng)挑戰(zhàn)。首先是無(wú)法以其現(xiàn)有的形式完全充電。
       “這就像你的智慧型手機(jī)如果第一次僅能充電一半左右的電量,以后就會(huì)更少了,”Li說(shuō),“消費(fèi)者寧可選擇一個(gè)可持續(xù)100%充電的電池?!?br/>       透過(guò)這種新型的X射線成像方法,以奈米級(jí)精確度檢視氟化鐵在電池中的轉(zhuǎn)變,能夠精確定位到每一個(gè)化學(xué)反應(yīng),使研究人員們得以瞭解為什么會(huì)發(fā)生容量衰減的情形。
       Li說(shuō),“以奈米級(jí)分析X射線資料,讓我們能夠利用較以往更準(zhǔn)確的方法來(lái)掌握其電化學(xué)反應(yīng),并確定氟化鐵在具有多孔微結(jié)構(gòu)時(shí)具有更佳性能。”
       第二個(gè)挑戰(zhàn)是氟化鐵電池材料放電時(shí)并不像充電那樣完全,導(dǎo)致能源利用效率降低。目前的研究已經(jīng)針對(duì)這個(gè)問(wèn)題提出一些初步的看法了,Jin和Li計(jì)劃在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)中解決這項(xiàng)挑戰(zhàn)。
       這項(xiàng)研究的結(jié)果帶來(lái)了一些影響,例如更長(zhǎng)效的電池延長(zhǎng)了可攜式電子裝置的使用時(shí)間。不過(guò),Jin還看好未來(lái)更廣泛的其他應(yīng)用范圍。
       “如果我們能讓這些低成本和豐富的氟化物鐵鋰離子電池材料發(fā)揮最佳性能與效率,就能夠?yàn)殡妱?dòng)車(chē)與微電網(wǎng)推動(dòng)大規(guī)模的可再生能源儲(chǔ)存技術(shù)進(jìn)展,”Jin說(shuō)。
       Jin認(rèn)為,新式X射線成像技術(shù)還將促進(jìn)其它重要的固態(tài)變化的技術(shù)研究,并有助于改善無(wú)機(jī)陶瓷與薄膜太陽(yáng)能電池的制造過(guò)程。
       該實(shí)驗(yàn)的其他研究人員還包括Yu-chen Karen Chen-Wiegart、Feng Wang、Jun Wang以及在Beamline X8C、NSLS與BNL的合作夥伴們。

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