新发现使快速充电、性能更好的锂离子电池成为可能

新发现使快速充电、性能更好的锂离子电池成为可能

根据伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)刚刚发表在《自然通讯》(Nature Communications)上的研究,制造一种锂离子电池是可能的,它可以在几分钟内充电,但仍能在高容量下工作。这种发展有潜力改善消费电子产品、太阳能电网存储和电动汽车的电池性能。

当锂离子在被称为阳极和阴极的两个电极之间移动时,锂离子电池充电和放电。在传统的锂离子电池中,阳极由石墨制成,而阴极则由锂钴氧化物组成。

这些材料在一起表现良好,这就是为什么锂离子电池越来越受欢迎的原因,但Rensselaer的研究人员认为这种功能可以进一步增强。

Rensselaer的机械、航空航天和核工程教授Nikhil Koratkar说:“让电池更好的方法是改进电极材料。”“我们要做的是使锂离子技术的性能更加优异。”

Koratkar对纳米技术和储能的广泛研究使他跻身于世界上引用率最高的研究者之列。在最近的这项工作中,Koratkar和他的团队通过用二硫化物(VS2)代替氧化钴来提高性能。

“它给你更高的能量密度,因为它是光。它给你更快的充电能力,因为它具有很高的导电性。从这些观点来看,我们被这种材料所吸引,”同时也是材料科学与工程系教授的Koratkar说。

近年来,围绕VS2潜力的兴奋情绪不断增加,但直到现在,Koratkar说,研究人员一直受到其不稳定性的挑战,这种不稳定性会导致电池寿命缩短。Rensselaer的研究人员不仅确定了这种不稳定发生的原因,而且还开发了一种应对这种不稳定的方法。

跨学科小组,也包括物理、应用物理和天文学系主任文森特·梅尼埃和其他人,确定锂的插入导致了钒原子之间的间距不对称,称为皮尔斯畸变,这是导致VS2薄片破裂的原因。他们发现,在电池片上覆盖一层纳米二硫钛涂层(Tis2)——一种不会扭曲的材料,可以稳定VS2电池片并提高电池性能。

“这是新的。人们没有意识到这是根本原因。“TiS2涂层用作缓冲层。它将VS2材料固定在一起,提供机械支撑。”

一旦这个问题得到解决,研究小组发现vs2-tis2电极可以在高比容下工作,或者每单位质量储存大量电荷。Koratkar说,钒和硫的体积和重量都很小,能够提供高容量和高能量密度。他们的小尺寸也将有助于一个紧凑的电池。

Koratkar说,当充电速度加快时,电池的容量并不像其他电极那样明显下降。电极能够保持合理的容量,因为与钴氧化物不同,vs2-tis2材料是导电的。

Koratkar认为,这一发现在改善汽车电池、便携式电子设备的电源以及高容量的太阳能存储方面有着多种应用,但提高充电速度也将是有吸引力的。

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