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电池知识

镁/海水燃料电池技术的发展和应用有哪些?有望大幅延长锂电池“寿命”

来源:未知    2019-04-06 21:09    点击量:

马里亚纳海沟,这个地球最深处的地方,逐步有了中国深潜器的身影。日前,海斗深渊科考试验队针对马里亚纳海沟区域地球物理和深渊环境开展综合科学考察,并对深海装备进行海试与应用,多项科考成果取得重要突破。中科院大连化物所醇类燃料电池及复合电能源研究中心金属燃料电池系统研究组研制的镁/海水燃料电池,搭载“探索一号”科考船在马里亚纳海沟海域顺利开展了两次万米试验,最大下潜深度10910米,作业时间22小时,是国际上首次在万米深渊开展试验的新型金属/海水燃料电池,为全海深新型高比能镁/海水燃料电池技术的发展和应用奠定了重要基础。

 

大连化物所研究员王二东介绍说,镁/海水燃料电池具有电池能量密度高,可全海深工作,安全性好,成本低等特点。最厉害之处在于“喝海水,就可以发电”。在“镁/海水燃料电池”诞生之前,水下电池主要以锂离子电池和银锌电池等为主,为避免短路,解决方式是给电池罩个“金钟罩”,但是这样不仅会产生成本过高的问题,也会存在很大的安全隐患。科研人员在研究过程中使用廉价、易得的金属镁或铝作为负极材料,镁或铝能够与海水反应,但却不像“锂”一样“遇水就着”。同时让海水作为电解质和氧化剂,这样电池“喝海水”就能发电。该技术得到国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项的支持。

 

金属燃料电池具有比能量高、干态储存寿命长、放电电压平稳、成本低、使用安全等优点,可作为应急储备、野外通信和水面、水下装备等电源。其中,镁/海水燃料电池作为金属燃料电池的一种,主要应用在海洋装备中。据了解,截至2017年底,大连化物所在金属燃料电池相关领域,就申请了专利90项,授权30项,其中包含2项美国专利。

 

锂电池在使用过程中会产生枝晶,枝晶断裂不仅会导致电池容量衰减,寿命打折,还可能刺透隔膜使电池短路起火引发安全问题。南开大学梁嘉杰、陈永胜教授课题组与江苏师范大学赖超课题组合作提出了解决这一问题的新优化策略,成功制备了具有多级结构的银纳米线—石墨烯三维多孔载体,并负载金属锂作为复合负极材料。这一载体可抑制锂枝晶产生,从而可实现电池超高速充电,有望大幅延长锂电池“寿命”。该研究成果在最新一期《先进材料》上发表。

 

近年来,世界各国有不少相关研究在锂负极材料的设计合成上取得重要突破,但至今仍无法抑制金属锂在大电流密度充放电下枝晶产生以及电极体积膨胀的问题,因此锂电池的长寿命、大容量“快充快放”依然难以逾越。

 

“把金属锂沉积到具有三维网络结构的多孔集流体中构建金属锂复合负极材料,是目前解决上述困难的有效途径之一。”梁嘉杰介绍说。基于此认识,课题组首次提出实现超高电流密度及超长循环寿命的理想金属锂负极三维载体材料选择及优化策略。他们利用石墨烯宏观体三维网络作为机械骨架,银纳米线二维网络作为导电结构,通过低成本、与工业化生产相兼容的涂布—冷干法,制备具有多级结构的银纳米线—石墨烯三维多孔载体,并负载金属锂作为金属锂复合负极材料。

 

经测试,该金属锂复合负极材料的比容量可达2573mAh/g;对称电池测试中,首次实现了在极高电流密度40mAh/cm2下反复充放电1000周以上,并且过电势低于120毫伏。通过电镜观察可以看到,该多级三维结构载体即使在极大电流充放电的循环条件下,仍能成功抑制金属锂负极中锂枝晶生长以及电极体积变化。

 

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