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中科院领衔!全球首款半固态高温熔盐电池诞生:廉价材料制成,效率惊人

Evelyn Zhang

中外联合研究团队将盐作为一种关键成分,设计出了一种新型可充电电池,它可以加速向更环保的电动交通工具的转变。

许多电动汽车(EV)由可充电的锂离子电池供电,但随着时间的推移,它们可能会失去能量和动力。在某些条件下,这种电池在工作或充电时也会过热,这也会降低电池寿命,减少每次充电的里程。

为了解决这些问题,由中科院领衔国内外六家大学和科研机构合作,开发出了一种兼具了固体氧化物燃料电池和金属-空气电池性能优点的电池能源存储方案,并具有创新和廉价的特点。这种新型电池可以显著延长电动汽车的续航里程,同时完全可回收、环保、低成本和安全。

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固体氧化物燃料电池(solid-oxide fuel cell)通过化学反应将氢和氧转化为电能。尽管它们在从燃料中提取能量方面效率很高,生产起来耐用、成本低、环保,但它们不能充电。

与此同时,金属-空气电池(metal-air batterie)是一种电化学电池,它使用廉价的金属,如空气中的铁和氧气来发电。充电时,它们只向大气中释放氧气。这些高能量高密度电池虽然不是很耐用,但可以充电,可以像锂离子电池一样储存和放电电能,而且更安全、更便宜。

在早期的研究阶段,研究小组探索了一种高温铁-空气电池(high-temperature, iron-air battery)的设计,使用熔盐(molten salt)作为一种电解液,实现热激活,以获得导电性。廉价易燃性的熔盐,有助于给电池带来令人印象深刻的能量储存和电力能力,以及较长的生命周期。

然而,熔盐也具有不利的特性。在极端高温下,熔盐具有极强的腐蚀性、挥发性、蒸发性或泄漏性,这对电池设计的安全性和稳定性构成了挑战。

令人惊喜的是,研究人员现在已经成功地改进了这项技术,使用一种金属钇掺杂的氧化锆(yttrium-stabilised zirconia,YSZ)制成的纳米固体氧化物粉末,将熔融盐转化成为了软固体盐/半固体盐。稳定的半固态结构,可以在高温下实现挤压成型,而这对于电池的加工来说是非常关键的一点。

文章报道称,他们首次制备出了半固态高温熔盐金属空气电池的电解质,由它制成的电池表现出了极高的效率和可与锂离子电池媲美的能量密度。

中国科学院上海应用物理研究所的王建强(Jianqiang Wang)教授是该合作项目的负责人,他预测这种准固态(QSS)电解质适用于800℃的金属-空气电池。在如此高的工作温度下,它却成功抑制了可能发生的熔盐的蒸发和流动性,实在难能可贵。

同样来自中国科学院上海应用物理研究所的项目合作者博士彭程(Cheng Peng),解释了这项实验研究的独特之处和设计价值。

半固态熔盐电解质设计,是一次纳米与熔盐学科交叉的尝试。这种准凝固(quasi-solidification),是通过纳米技术来构建一个灵活连接的固体氧化物粒子网络来实现的,该网络充当“锁住”熔融盐电解质的结构屏障,同时仍然允许它们在极端高温下安全地导电。

他希望这个团队的“令人鼓舞的结果”,将有助于建立一种更简单、更有效的方法来设计低成本、高性能的熔盐金属-空气电池,具有高稳定性和安全性。

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料:https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-02/uon-sbd020121.php

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829720304268


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