美研制可反復充電的液體電極電池 安全又環保

    鋰電世界    新型電池不僅能夠像傳統電池一樣充電，還可以像給車加油一樣為電池注入新燃料。

    阿貢國家實驗室和伊利諾斯科技院的研究人員表示，從理論上來講，這種材料每次充電可供電動汽車行駛500英里，是目前電動車單次充電行駛距離的五倍。當電力不足時，僅需在加油站花費幾分鐘的時間就可以將電池的燃料加滿。相反，最快的傳統充電站也得耗時一小時將電力充滿。

    目前，有限的行駛距離和長時間的充電時間是電動汽車兩個最大的挑戰。液體電池電極通過增加電池盒的能源存儲量達到延長行駛距離，由于所需的非能源存儲部件減少，所以液體電極電池的造價更為低廉。

    能源高級研究項目署的項目經理劉平（音譯）表示，由于這種電池使用的是液體電極，因此與傳統電極相比更加安全可靠。正負電極材料分別裝在兩個分開的容器內，與傳統電池有所不同。這樣可以避免短路和電池過熱導致鋰離子電池著火。

    目前可充電燃料還處于初級研究階段，但是能源高級研究項目署認為該種燃料前景十分良好，并宣稱將出資設立四個研究小組來進一步開發該技術。

    迄今，伊利諾斯研究人員展示了一款使用一個液體電極和一個固體電極制成的小型“半電池”。他們計劃使用正負液體電極制造一個電池原模型。這種電池能夠存儲一千瓦時的電力，足夠汽車行駛數英里。

    傳統電力汽車電池有多達75%的材料有并不存儲能源的部件組成，其中包括電池包裝、傳感器、電氣連接、冷卻系統等。液體能源存儲至少在理論上不會采用以上的部件，大大削減了電池體積和成本。

    新型電池的液體電極存儲在容器內，通過一個相對較小的設備泵入，相互作用從而發電。增加能源存儲量也就是加大存儲容器體積而已，而發電的設備體積將保持不變。容器的體積越大，發電設備占據電池整體的體積越小。

    然而液體電極電池的確還存在一些潛在的缺陷。研究人員也僅僅是剛著手設計整個系統，他們需要設計出一種更加高效泵入材料，而且低成本生產的方法。不僅如此，將充電汽車燃料箱重新注滿燃料需要安裝新的基礎設施，因此耗資數目不容小覷。

    美研發半液態電池電動車或迎新發展

    電動汽車充電電池由于自身體積大、重量沉、造價高，已成為制約該行業發展的瓶頸。例如，尼桑Leaf電動車2/3的電池只起到支撐結構的作用，并未產生能量，而這些材料比實際發電的部分造價更高。因此，如果這些“無用重量”可參與到能量供應中，汽車充電電池的效率將大幅提高。

    日前，美國麻省理工學院材料科學與工程教授蔣業明及其團隊研發出了一種名為“劍橋原油”的材料，有望解決這一難題。

    該材料呈現黝黑色，外觀與原油相似。在普通充電電池中，鐵原子通過電解液或電解質粉在兩個固體電極中運動，使電子流入與兩電極相連的電線中產生電流。而蔣業明制造的“劍橋原油”電池，電極是由微小的鋰元素組成，與液體電解液混合在一起，成為類似泥漿狀的流體混合物。電池中同時存在兩股帶著正負電荷的“泥漿”，由具滲透性的薄膜隔離開來。兩股“泥漿”流動，在薄膜上相互交換鋰離子，產生電流。要對電池充電，可外接一個電源使這些離子通過薄膜重新回到另外一側。

    蔣業明預測，這種半固體電池單位體積的發電量比傳統電池要高10倍左右。美國德雷克塞爾納米技術研究所Yury Gogotsi教授表示：“這是最近幾年電能儲存領域最令人振奮的發明。”

    “劍橋原油”半固體電池有三種更換方法。第一，用戶將用過的液體抽出，注入新的“泥漿”；第二，前往充電站更換；第三，用電對“泥漿”進行充電。前兩種辦法只需幾分鐘即可完成。

    一般而言，充電電池是電動汽車最重最貴的部分。蔣業明估計，新電池的造價約為250美元每千瓦時發電量，因此如果用它代替尼桑Leaf汽車的24千瓦時電池，將花費6000美元，只有目前成本的1/3。此外，蔣業明還表示：“劍橋原油”電池充滿電一次可供汽車行駛至少300公里，是現在電動車續航能力的一倍。（1美元約合6.39元人民幣）

    紐約能源研究所城市大學的Dan Steingart說：“這是一個非常偉大的技術，因為人們可以對用過的‘劍橋原油’充電。”但他指出，即使這項技術可以在短期內實現商業應用，但建立充電站則需要很長時間。

    美研發三維電極微電池個頭小能力強

    據英國廣播公司（BBC)報道，美國科學家制造出一種擁有三維電極的新式“微電池”模型，與目前的商用電池相比，同樣功能的新電池僅為其十分之一，而再充電速度則為其1000倍。科學家們表示，一旦解決安全問題，新電池將有望變革消費電子設備和汽車的充電方式。相關研究將發表在最新一期《自然·通訊》雜志上。

    電池內有三個元件：分別位于電池兩端的陰極和陽極以及作為“橋梁”的電解液。最新研究的突破主要在于，科學家們在微尺度上將陽極和陰極整合在了一起。

    他們首先制造出一個由細小的聚苯乙烯球組成的網格；接著用金屬填滿球內外；再將球溶解，留下一個三維的金屬支架，并在該金屬支架上添加了一個鎳—錫合金陽極和氫氧化錳礦物質陰極；最后，將該裝置依附到一塊玻璃的表面，并將玻璃表面沒入300攝氏度的液體（作為電解質）中。

    研究負責人、伊利諾伊大學的威廉姆·金教授表示：“陰極和陽極距離非常近，使得位于電池兩極用來發生反應的離子和電子不需要行進很遠，因此能更快產生能量。而且，最新技術可以擴展，可以將電池做得比較大。”

    金指出，盡管智能手機和其他電子設備已從微電子學受益良多，但電池領域的進展卻伐善可陳，最新研究改變了這一現狀。同樣功能的新電池的“個頭”僅為原電池的十分之一，新電池可用在汽車內。

    其他電池專家對新研究樂見其成，但他們也擔心，安全問題或許會成為其市場化的“絆腳石”。

    英國劍橋大學化學系的克萊爾·格雷教授表示：“挑戰在于制造出一個足夠穩固的微電池陣列，通過一個成本低廉且可不斷擴大的過程，使整個電池陣列不出現一次短路。”牛津大學無機化學和能源領域的專家皮特·愛德華茲也指出：“最新研究證明了我們可以獲得很高的能量密度，但問題在于如何擴大規模以便進行工業化生產，同時找到更簡單的制造方法并解決安全問題。我并不知道這種微電池是否容易自燃，鈷酸鋰電池就存在這一問題。”

    金承認，因為目前使用的液體容易自燃，安全問題確實存在。他表示，測試設備使用的液體很少，這就使發生爆炸的危險微乎其微，但如果電池被做得很大，危險可能會隨之增加。但他計劃改用更安全的聚合物電解液來解決這個問題，希望今年年底前，該技術能夠實現為電子設備和汽車供電。

    研究使用離子液體作為碳前驅體修飾電極材料

     Li4Ti5O12作為鋰離子電池的負極材料，主要缺點在于電子電導能力太差，純Li4Ti5O12的電導率小于10-13 S/cm，鋰離子擴散系數只有10-9–10-13 cm2 s-1，導致倍率性能不佳，從而限制了其在鋰離子電池中的應用。因此研究者們從降低Li4Ti5O12顆粒尺寸和表面包覆兩方面來對Li4Ti5O12進行改性。降低顆粒才尺寸能夠縮短鋰離子的擴散距離，因此電極材料的電化學活性或倍率性能可以得到提高；表面包覆能夠提高表面電導率，促進電極材料間的接觸。目前報道的對Li4Ti5O12表面包覆的方法雖然能夠提高倍率性能，但是大多數方法過程復雜或者需要在高溫條件下才能實現(＞600℃)。

    最近，中國科學院物理研究所北京凝聚態物理國家實驗室胡勇勝課題組首次使用離子液體作為碳的前驅體，對多孔Li4Ti5O12的進行表面包覆。與傳統的固態碳源前驅體相比，離子液體由于具有流動性質更容易深入多孔材料中，而且在較低的蒸汽壓下，裂解溫度范圍較寬(400-1000℃)，也不伴隨快速的溶劑蒸發，這些都有利于在顆粒表面形成均勻的包覆薄層。此外，通過選擇不同類型的離子液體還可以調節包覆層的組成。因此使用離子液體作為前驅體，對于調節包覆層和表界面的組成和性質方面具有明顯的優勢，這一點對于材料的設計和優化尤為重要。

    該研究組首先采用以前報道的噴霧干燥法制得多孔Li4Ti5O12，離子液體1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺作為前驅體，使用不同量的離子液體與Li4Ti5O12混合，并在氬氣中600℃煅燒。通過表征發現，合成的多孔Li4Ti5O12碳包覆層中含有N元素，對比碳包覆的不含有N元素的多孔Li4Ti5O12，這種N摻雜有利于提高電池的倍率性能。

    這種N摻雜碳包覆的多孔Li4Ti5O12之所以表現出極好的倍率性能和循環性能，主要原因有三：一是表面經過N摻雜碳層的包覆，在提高材料的電子導電性的同時也有利于提高Li4Ti5O12的表面穩定性；二是在Li4Ti5O12與N摻雜碳層之間形成的中間相有利于界面間的電子傳輸；三是在Li4Ti5O12顆粒中形成的三維導電網絡更有利于鋰離子的嵌入/脫出。

    該課題組提出的使用離子液體作為碳的前驅體來修飾電極材料，得到的材料表面包覆著均勻的薄薄的N摻雜碳層，表現出優異的倍率性能和循環性能。該合成方法相對簡單、有效，可以延伸到其他電化學器件的電極材料中。研究工作發表在Advanced Materials期刊上。

    液體電池能貯存大量綠色能量

    據國外媒體報道，當科學家競相為筆記本電腦、手機和其它輕便電子產品開發越來越小且越來越強大的固體電池時，美國麻省理工學院卻截然相反，開發由液體金屬制成的生態環保的大型固定電池組，能貯存大量風能或太陽能等綠色能源，可以充當醫院等單位的備用電力。

    參與開發此液體電池的麻省理工學院的科學家道恩·薩多威說：“由于這樣的電池不能用于手機或汽車里，因此我們沒必要要求它們防震和簡單易行。我們的電池里面沒有固體材料，沒有固體電極，沒有固體薄膜，沒有任何固體的東西。”

    我們知道，任何電池，固體、液體或固液組合電池都只能貯存化學能。為了貯存化學能，任何電池得有三部分組成――陽極電極、陰極電極和陰陽電極之間的膜構成。大多數電池，包括筆記本電腦和電視機遙控器上使用的電池，都使用固體材料如鋅或鈷鋰充當陰極，石墨充當陽極，液體鹽溶液充當電解質膜。而此液體電池則不同，其陰陽和膜都是液體的，且都是熾熱的熔化的像稀泥似的液體。

    在近幾年里，薩多威嘗試了多種不同液體金屬的配方，最先嘗試的配方是熔化的銻和鎂充當電極，中間有一層硫化鈉充當膜。由于每一種金屬有不同的密度，因此這三種金屬不會彼此混合，且它們自然地分成三層。如果有意外事件干擾了這些金屬層，它們也將會因各自重量的不同而再次自動分成三層。不過，薩多威沒有透露其現有液體電池的具體材料是什么。不管它們是由什么材料構成的，這些電池都放在不銹鋼里密封著，大小和汽水飲料罐差不多。像此電池的內部材料一樣，此電池的大小也沒的最后確定下來。

    薩多威說：“此電池應該很容易按比例擴大，如果我們想制造一個33加侖垃圾桶那么大的電池，我們就能做到。如果我們想制造足球場那么大的電池，我們也能做到。”而且，按比例縮放此電池大小很便宜，且能保持液體金屬處于液體狀態。目前，此電池必須得加熱到500攝氏度才行，這是標準家用烤箱的最高溫度。

    像家用烤箱一樣，液體金屬電池也需要同樣的安全規程，或許有一天這種液體電池將成為住宅、醫院和其它永久性建筑的一部分。科學家表示，此電池是貯存風能或太陽能的理想設備。而且此全部的液體金屬電池最有可能取代其它的熔化金屬電池（有固體膜介于陰陽極之間），如硫化鈉電池，目前用作醫院的備用電力，或者用作電力調度者，當夜晚用電不緊張時，此電池從電網用電，而當白天處于用電高峰時，此電池就將能量回輸入電網。不過，薩多威的這種液體電池還需幾年才能派上用場。

    美科學家用病毒制作鋰離子電池獲得成功

    病毒對于人類的健康和你的技術的健康都是壞東西。美國麻省理工學院正在使用病毒制作鋰離子電池的正極和負極。

    麻省理工學院的研究人員開發出一種可制作電池的轉基因病毒。這種新的方法能夠制造用于汽車和電子產品的更便宜的可充電電池，而且這種電池更環保。

    目前的鋰離子電池在電池的正極和負極之間傳送離子。三年前，麻省理工學院的研究人員發現，他們能夠利用病毒制作鋰離子電池的一個正極。這個正極由氧化鈷和黃金材料組成。這些病毒在涂上氧化鈷和黃金材料之后組成一個納米線。

    現在，這些研究人員在材料科學、工程和生物工程Germeshausen教授AngelaBelcher的領導下現在能夠利用病毒制作鋰離子電池的負極部分。能夠利用病毒制作電池的正極和負極之后就很容易制作電池了。

    使用的病毒是常用的不會感染人類的噬菌體。對于負極來說，這些病毒在自己的表面涂上一層磷酸鐵，然后利用碳納米管創造一個高傳導材料的網絡。

    這個碳納米管網絡能夠把電子從電極迅速傳送到磷酸鐵核心以產生能源。通過創建碳納米管網絡，電池的傳導性能更好，重量更輕。

    這個研究團隊要制作更好的具有較高電壓和更大容量的電池。要實現這個目標，負極的組裝需要使用磷酸錳和磷酸鎳這種材料。這種納米級電池技術將為汽車和電子制造商使用電池開辟新的可能性。