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        科學(xué)家發(fā)現(xiàn)氟有可能替代鋰 用于可充電電池

        隨著現(xiàn)代技術(shù)(尤其是電動汽車)越來越多地使用可充電電池,研究人員一直在尋找鋰離子替代材料,以用于可充電電池。據(jù)外媒報道,圣路易斯華盛頓大學(xué)麥凱維工程學(xué)院(McKelvey School of Engineering)的材料科學(xué)家們,在氟中發(fā)現(xiàn)一種潛在的鋰替代品。氟是一種儲量相對豐富的輕質(zhì)元素。

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        (圖片來源:wustl)

        有趣的是,氟離子與鋰離子正好相反,對電子的吸引力最強(qiáng),很容易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。日本的研究人員也在進(jìn)行測試,在汽車中將氟離子電池作為鋰離子電池的可能替代品。據(jù)介紹,使用這些電池,可以使電動汽車單次充電運(yùn)行1000公里。然而,現(xiàn)有氟離子電池的循環(huán)性能較差,經(jīng)過充放電循環(huán)過程,往往會迅速降解。

        研究人員Steven Hartman和Rohan Mishra采用新方法設(shè)計氟離子電池。他們發(fā)現(xiàn)兩種材料,很容易獲得或失去氟離子,在實(shí)現(xiàn)良好循環(huán)性的同時結(jié)構(gòu)變化很小。機(jī)械工程和材料科學(xué)系的助理教授Mishra表示,這些新電池材料均為層狀電子化合物。

        電子化合物是一種相對較新的材料,可以像普通金屬一樣傳導(dǎo)電子,但與金屬中的“電子海”不同(金屬中的電子分散在整個晶體中),在電子化合物中,電子駐留在晶體結(jié)構(gòu)中的特定間隙位置,這有點(diǎn)類似于離子。Mishra表示:“根據(jù)我們的預(yù)測,氟離子可以很容易地取代這些間隙電子,而不會導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變形,從而實(shí)現(xiàn)可循環(huán)性。此外,由于層狀電子化合物的結(jié)構(gòu)相對開放,氟離子可以輕松地移動或擴(kuò)散。”

        材料科學(xué)與工程學(xué)院的校友Hartman利用量子力學(xué)計算方法,對數(shù)十個潛在電池候選項(xiàng)進(jìn)行測試。通過計算機(jī)化測試,將氟化物引入層狀電子化合物氮化二鈣鈣和次碳化釔的間隙中,使其儲能能力接近鋰離子電池。以氮化二鈣為例,它由相對豐富的元素組成,有助于克服目前鋰離子電池存在的供應(yīng)不足問題。

        Hartman與Mishra團(tuán)隊(duì)就彼此的研究工作進(jìn)行比照,后者利用機(jī)器學(xué)習(xí)“大數(shù)據(jù)”技術(shù)來篩選數(shù)千種候選項(xiàng)。Hartman表示:“原則上,你可以通過在常規(guī)電極中大量加入氟離子來提高電荷儲量。然而,實(shí)際上這些理論容量很難控制。當(dāng)我們往常規(guī)電極中加入氟化物時,它們會在充放電時急劇膨脹和收縮,有可能導(dǎo)致破裂和失去電接觸。”

        對于制造耐用的氟化物電池而言,盡可能減少體積和形狀變化至關(guān)重要。Hartman表示:“據(jù)我們推測,在層狀電子化合物材料中,添加和去除氟離子可以使結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯較小的結(jié)構(gòu)變化,有助于延長循環(huán)壽命。”


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