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    新材料不断产生 锂电..

    新材料不断产生 锂竞技宝|授权网站未来会更精彩
    2019-10-24

    近日,2019年诺贝尔化学奖颁给了美国德州大学奥斯汀分校约翰·古迪纳夫、美国纽约州立大学宾汉姆分校斯坦利·威廷汉和日本旭化成株式会社吉野彰三人,以表彰他们对锂离子竞技宝|授权网站研发的卓越贡献。那么,锂竞技宝|授权网站是如何研发出来的?未来的发展将会怎样?

    1没有锂竞技宝|授权网站就没有移动智能生活

    我们早已生活在一个“可充电的世界”,但真正带来电子设备便携化,开启了现代移动生活的则是锂竞技宝|授权网站。可以说,如果没有锂竞技宝|授权网站,就没有我们现在的移动智能生活。

    锂竞技宝|授权网站因重量轻、可充电、功能强大且便携,被广泛应用于从手机到笔记本电脑等各个领域。它在全球范围内用于为便携式电子设备供电,我们使用这些便携式电子设备通讯、工作、学习和娱乐。

    锂竞技宝|授权网站还促进了长续航电动汽车的开发以及来自可再生能源(例如太阳能和风能)的能量存储,为实现一个无线(可移动)、无化石燃料的社会打下基石。可以说,锂离子竞技宝|授权网站作为能源存储器件,彻底地改变了人类的生活。

    此次诺贝尔化学奖授予三位锂电领域的科学家,是对每一位为锂竞技宝|授权网站从无到有、从实验室走向商业化做出贡献的锂电从业者的认可,是对仍在从事锂电研究和志在继续推动清洁、便携社会发展的人们的激励。

    2石油危机直接促成了锂竞技宝|授权网站研发

    20世纪70年代,石油危机直接促成了锂竞技宝|授权网站研发。美国石油巨头埃克森公司判断,石油资源作为典型不可再生资源,将在不久之后面临枯竭,于是组建团队开发下一代替代石化燃料的能源技术。

    而锂竞技宝|授权网站就是人们提出的新型竞技宝|授权网站之一。当时,供职于埃克森公司的斯坦利·威廷汉提出了一种全新的材料二硫化钛作为正极材料,可以在分子层间储存锂离子。当其与金属锂负极匹配时,竞技宝|授权网站电压高达2V。

    然而,由于金属锂负极活性高,带来极大安全风险,这种竞技宝|授权网站并未获得推广。但科学家们并未放弃探索,既然问题出在电极材料上,或许替换电极就能解决问题。

    当时在英国牛津大学的无机化学实验室担任主任的古迪纳夫推断,采用金属氧化物替代硫化物作为正极,可以实现更高电压,改善锂离子竞技宝|授权网站的性能。

    1980年,古迪纳夫用钴酸锂作为竞技宝|授权网站正极,可将竞技宝|授权网站的电压提高到4V。钴酸锂的横空出世是锂离子竞技宝|授权网站领域的极大突破,它至今仍是便携式竞技宝|授权网站的主力正极材料。

    3上世纪90年代出现首个商用锂竞技宝|授权网站

    但受制于金属锂负极的不稳定特性,当时锂离子竞技宝|授权网站的安全性仍是严重的问题。1985年,日本科学家吉野彰采用石油焦替换金属锂作为负极,用钴酸锂作为正极,发明了首个可用于商业的锂离子竞技宝|授权网站。1991年,日本索尼公司发布了首个商用锂离子竞技宝|授权网站。

    经过三十多年的工业化发展,锂离子竞技宝|授权网站的能量密度、成本和安全性取得了长足进步,并深入到我们生活的方方面面。

    在目前广泛使用的商用锂竞技宝|授权网站中,锂离子在以特殊层状材料作为竞技宝|授权网站正负极的“主人”家里,随意地来回“串门”,以完成竞技宝|授权网站充放电工作。

    需要指出的是,虽然锂离子这个嵌入与脱嵌的“串门”过程,并不影响“主人”家里的物质结构,但整个过程仍是化学反应而非物理反应。

    4锂竞技宝|授权网站还有很大发展空间

    今年的诺贝尔化学奖授予锂竞技宝|授权网站领域,是对这个行业巨大的肯定和激励。锂竞技宝|授权网站从诞生发展到应用推广,当下仍面临着诸多艰巨的挑战。

    从1991年索尼公司商业化生产第一批锂离子竞技宝|授权网站至今,上述锂离子来回“串门”的“摇椅式竞技宝|授权网站”成了最有前途和发展最快的市场。但受制于锂离子竞技宝|授权网站原理的限制,现有体系的锂离子竞技宝|授权网站能量密度已经从每年7%的增长速率下降到2%,并正在逐渐逼近其理论极限。与之相反,随着社会进步,人们对便携、清洁生活的需求更加强烈。

    采用更少质量储存更多电量的电极材料,有望构筑能量密度更高的锂离子竞技宝|授权网站。金属锂的比容量高达3860mAh/g,是构筑高比能竞技宝|授权网站的终极材料。但直接把金属锂作为竞技宝|授权网站负极材料使用的话,始终逃不开一个“跗骨之蛆”——枝晶。面对这个造成锂竞技宝|授权网站安全隐患的“大敌”,世界各国的科学家正在进行不懈努力。

    5应对锂竞技宝|授权网站安全的大敌“枝晶”

    我们都知道,竞技宝|授权网站分为正极、负极和电解质,通过氧化还原反应来产生电流,放电时离子从负极流向正极,充电时从正极流向负极。

    对锂竞技宝|授权网站来说,放电时锂会被氧化成离子进入电解质最终抵达正极;重新充电时,这些锂离子会再沉积到锂金属负极的表面。

    但是这种沉积往往不均匀,随着锂竞技宝|授权网站的频繁使用,锂金属表面会长出针状或树枝状的锂枝晶。枝晶生长得过长就会折断,不再参与反应,给竞技宝|授权网站体系带来不可逆的容量损失;最危险的是,长大的枝晶会刺破竞技宝|授权网站正负极之间的隔膜,造成短路,埋下竞技宝|授权网站过热自燃或爆炸的安全隐患。

    锂电领域里,如何做到“鱼与熊掌兼得”?如何通过提出新原理、新体系、新方法,实现能量密度更高、更安全、充电更快的储能过程?这些都是锂电领域未来面临的挑战。

    在这样的形势下,涌现出了锂硫竞技宝|授权网站、锂空竞技宝|授权网站、钠离子竞技宝|授权网站等许多新体系竞技宝|授权网站。新材料的不断产生,也给这些新体系的发展带来了新机遇。

    延伸阅读

    我国锂电研究者正在开展大量原创工作

    中美日韩德英等国都制定了各自的竞技宝|授权网站发展战略,以期推动竞技宝|授权网站原理的创新以及核心技术的开发,支撑当代社会的可持续发展。我国锂电研究者们在国家和社会的支持下,围绕高效能量存储这个不变的“初心”,持续开展科学研究。

    目前锂竞技宝|授权网站领域主流研究方向仍聚焦在寻找更安全高效的负极材料。由笔者带领的清华大学研究团队从2013年开始,在金属锂负极形核和无枝晶生长领域开展了原创性的科学研究。

    研究发现,在金属锂负极中添加具有亲锂性的掺氮碳骨架,让竞技宝|授权网站中游离的锂离子在充电初始,就像小蝌蚪找妈妈一样,优先奔向青蛙妈妈——掺氮位点,在竞技宝|授权网站中形成均匀分布的金属锂“小团体”;在充电过程中,“小蝌蚪和青蛙妈妈”的“小团体”继续“抱团”。这种均匀沉积的行为可以避开以往形核少而产生的金属锂枝晶生长。

    基于上述成果的论文2017年被化学领域顶级期刊《德国应用化学》选为封面,今年还入选了由北京市科学技术协会主办的“北京地区广受关注学术论文”评选活动。研究团队在上述能源化学机理的基础上,进一步设计了碳锂复合负极。这些复合金属锂负极不仅避开了“危险的枝晶”,还表现出了优异的电化学性能,有效提升了金属锂负极的利用效率和安全性,也为基于金属锂的二次竞技宝|授权网站提供了新的实用化探索思路和更广阔的应用前景。

    除了锂竞技宝|授权网站之外,采用钠、钾、铝、锌等离子并研发其能源化学新原理,也有望提出具有独特性质的新型储能器件。除电化学储能之外,采用其他能源存储和转化方式以及新型能源载体,有望构筑具有颠覆性的储能技术,满足未来社会对于储能设备的新需求。

    下一代解决能源存储与转化技术的突破,已经在路上。

    (作者系清华大学化学工程系教授、“北京地区广受关注学术论文系列报告会”化学学科报告人)




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