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图中显示了在这项工作中开发的完全充电阴极的分子结构。陆军插图)
图中显示了在这项工作中开发的完全充电阴极的分子结构。陆军插图)

文摘:
携带15-25磅电池的士兵可以携带重量的一小部分电池,但使用相同的能量和提高的安全性,一项新的研究表明。

陆军发现为更安全的电池开辟了道路

阿德尔菲MD 5月11日发布,二千零一十九

在最新一期的《自然》杂志上,美国的研究人员陆军作战能力开发司令部陆军研究实验室,陆军的企业研究实验室称为ARL,马里兰大学通过鉴定一种新的阴极化学,展示了电池技术的变革性步骤。

完全不含过渡金属,通过在高电位(约4.2 V)下可逆地存储锂离子,提供前所未有的高容量,这一发现有可能显著提高锂离子电池的能量密度,同时由于电解质的含水性而保持安全性,博士说。Kang XuARL研究员和高级研究化学家。

“这么高的能量,他说:“安全且具有潜在灵活性的新型电池很可能会满足士兵在战场上的需求:可靠的高能量源,具有强大的抗虐待能力。”“预计这将大大提高士兵的机动性和杀伤力,同时满足后勤需求。”

基于他们先前发现的本质安全的“盐电解质中的水(WISE)”以及在WISE中稳定石墨阳极的技术,该小组开发的新型阴极化学进一步将水性电池的可用能量扩展到以前无法达到的水平。

利用由超浓缩水电解质实现的石墨结构中的可逆卤素转化和插层,作者证明了全水锂离子电池具有良好的循环稳定性和460 Wh/kg(阴极和阳极总质量)的预计能量密度。这与使用过渡金属氧化物阴极和易燃非水电解质的最先进的锂离子电池相比,甚至更高。

研究人员,王春生领导,射频F.R.赖特,美国医学会化学与生物分子工程系、化学与生物化学系特聘教授;Kang Xu阿尔法研究员,还有奥列格·博罗丁,阿尔法科学家,将电池开发成具有按钮电池配置的可测试阶段,通常用作研究实验室的测试车辆,并详细描述了能量密度增加的转化插层化学。要把它扩大到实用的大型电池,还需要进行更多的研究,康说。

“这一新的阴极化学恰巧在2015年在我们之前开发的科学“盐中的水”水电解质中运行良好,这使得它更加独特——它结合了非水系统的高能量密度和水系统的高安全性。充银洋大学公园化学和生物分子工程系的助理研究科学家。

“本工作中报告的水基电池的能量输出与基于易燃有机液体而非水的电池的能量输出相当,但是更安全。”王说。“它比普通手机电池的能量密度多出25%。新的阴极能够容纳,每克240毫安培,运行一小时,而广泛用于手机的阴极,笔记本电脑,和工具(Licoo2)每克每小时仅提供120-140毫安培。”

除了士兵用的便携式电池,这种水性电池化学也可用于涉及千瓦或兆瓦级大能量的应用,或在电池安全和毒性是主要问题的应用中。包括飞机用不可燃电池,舰艇,或者宇宙飞船,或者在便携式电子设备的民用应用中,电动汽车和大型电网存储。

“马里兰大学和陆军团队的论文是我至少10年来所看到的最具创造性的新电池化学,”杰夫·达恩教授说,加拿大达尔豪西大学。Dahn是电池技术的领导者,也是锂离子电池的发明者之一。“事实上,锂和溴化锂可逆转换和形成卤素嵌入石墨是真正令人难以置信的。该小组已经证明了150个循环的可逆性,并表明在不含过渡金属和非水溶剂的4伏电池中应该可以达到高能量密度。能否研制出实用的长寿命商用电池还有待观察。但我对这项研究感到非常兴奋。”

教授乔治亚理工学院的Gleb Yushin和Sila纳米技术学院的CTO,没有参与研究,注意到“在他们的论文C。王等。通过同时提高电池电压和利用无钴和无镍阴极,在开发不可燃水性锂离子电池方面取得了绝对显著的进展。与传统的基于稀有材料的插入式阴极相比,昂贵而有毒的过渡金属,比如钴和镍,研究人员证明,石墨盐复合阴极与纯石墨阳极耦合具有良好的循环稳定性。他们的创新解决方案使得使用更便宜和更环保的石墨作为一个更高的重力能力阴极,其工作平均电压高于最新技术水平。与传统锂离子形成鲜明对比的是,锂离子完成了所有工作,新电池利用锂离子和卤素阴离子进行电荷储存。总体而言,这项工作报告了水离子电池的多个关键里程碑,并为其在固定存储甚至可能是电力运输应用中的商业可行性应用提供了一个重大飞跃。”

“这项工作主要是关于一个全新的锂离子阴极化学概念——利用卤素的氧化还原反应(在这种情况下是溴和氯)来储存电荷,利用它们的插层性质来稳定它们在石墨层间的强氧化产物,形成致密石墨夹层化合物,”杨说,阿贡高级光子源的科学家。“这种新的‘转化插层’化学继承了转化反应的高能和拓扑学插层的优良可逆性。”

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关于美国陆军研究实验室
CCDC陆军研究实验室(ARL)是美国的一个组成部分。陆军作战能力开发司令部。作为陆军的企业研究实验室,ARL发现,创新和转型科技,确保主导战略地力。通过指挥部核心技术能力的协作,CCDC负责发现,发展和提供技术能力,使士兵在赢得国家战争和安全回家时更具杀伤力。CCDC是美国的一个主要下属司令部。陆军未来司令部。

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