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研究發(fā)現(xiàn)電池中鋰離子的替代材料

圣路易斯華盛頓大學麥凱維工程學院的材料科學家發(fā)現(xiàn)了氟中鋰的潛在替代品，氟是一種相對豐富而輕的元素。他們的研究成果于12月7日發(fā)表在《材料化學雜志》上。

有趣的是，氟離子是鋰離子的反面，對電子具有zui強的吸引力，這使其易于進行電化學反應。日本的研究人員也正在測試氟離子電池，以替代汽車中的鋰離子電池。他們說，這些電池可使電動汽車一次充電即可行駛1,000公里(621英里)。但是，當前的氟離子電池具有較差的可循環(huán)性-也就是說，隨著充放電循環(huán)，它們往往會迅速降解。

隨著越來越多地使用可充電電池為現(xiàn)代技術(尤其是電動汽車)供電，研究人員一直在尋找可充電電池中鋰離子的替代材料。現(xiàn)代電池使用鋰和鈷，但是它們的供應非常有限。

研究人員史蒂芬·哈特曼和羅漢·米斯拉采用了一種新的氟離子電池設計方法，該方法可以識別出兩種容易發(fā)生氟離子丟失或丟失的材料，同時對它們進行小的結構變化以使其具有良好的可循環(huán)性。機械工程與材料科學助理教授Mishra表示，新型電池材料都是分層的電極。

米什拉說，電極是一類相對較新的材料，原則上已經(jīng)有50多年的歷史了，但是直到近10到15年才對它們的性能有了更好的了解。盡管這些材料像普通金屬一樣傳導電子，但與金屬中的“電子海”不同，在電子中電子在整個晶體中離域，但在電子中，電子像離子一樣位于晶體結構內(nèi)的特定間隙位置。

Mishra說：“我們預測這些間隙電子可以很容易地被氟離子所取代，而不會導致晶體結構發(fā)生明顯變形，從而實現(xiàn)了可循環(huán)性。” 由于層狀電子的相對開放結構，氟離子也可以很容易地移動或擴散。

哈特曼(Hartman)是材料科學與工程學院的校友，在洛斯阿拉莫斯國家實驗室接受博士后獎學金之前，他在米什拉(Mishra)的實驗室獲得博士學位，他使用量子力學計算來測試數(shù)十種潛在的電池候選者。

哈特曼說：“我們預測，在這些層狀電子材料中，添加和去除氟離子會導致結構變化明顯變小，從而有助于實現(xiàn)更長的循環(huán)壽命。”

米什拉(Mishra)的實驗室正在尋求與研究人員合作，這些研究人員可以合成本研究中確定的有希望的候選物，并在原型電池中對其進行測試。

麥凱維工程學院由一群從事電池研究的跨學科教授組成。能源，環(huán)境與化學工程學助理教授彭白近的研究使得能夠近似估算電池的電流密度閾值，并準確預測任何特定電流密度的短路時間。

能源，環(huán)境與化學工程學教授Jason He近對將鋰離子電池電化學“重新填充”到廢電極中以再生有用的化合物(例如鈷酸鋰)進行了可行性研究。

計算機化測試將氟化物引入了層狀氮化物氮化鈣和次碳化釔的間隙中。能量存儲能力接近鋰離子電池的性能。在氮化二鈣的情況下，它由相對豐富的元素組成，可以幫助克服鋰離子電池中當前使用的元素的供應短缺。

Hartman將電池研究與Mishra小組的其他一些研究進行了對比，后者使用機器學習的“大數(shù)據(jù)”技術篩選了數(shù)千名候選人。

哈特曼說：“與我們進行的其他研究相比，這需要更多的直覺和反復試驗。” “原則上，您可以在常規(guī)電極中添加很多氟離子來存儲大量電荷，但是在實踐中，這些理論容量很難管理。當我們在常規(guī)電極中添加氟離子時，它們會膨脹并急劇收縮。充放電，可能導致破裂和電接觸損失。”

小化此體積和形狀變化對于創(chuàng)建耐用的氟化物電池至關重要。