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未来的电池—废弃石墨的低成本电池

2018-01-03

基什石墨是钢铁生产的废品。它可以用来制造廉价的可再充电电池。


锂离子电池易燃,原材料价格上涨。有替代品吗?是的,Empa和ETHZürich的研究人员已经发现了有希望的方法,就如何生产出废弃的石墨和废金属电池。


Kostiantyn Kravchyk在Maksym Kovalenko小组工作。这个研究小组位于苏黎世联邦理工学院和Empa的薄膜和光伏实验室。这两位研究人员在Empa分公司的雄心勃勃的目标是用地壳中最常见的元素(如镁或铝)来制造电池。即使阳极由纯金属制成,这些金属也具有高度的安全性。这也提供了以非常简单和廉价的方式装配电池并快速提高生产的机会。


为了使这种电池运行,液体电解质需要由在室温下不结晶的特殊离子组成 - 即形成一种熔体。金属离子在“冷熔体”中在阴极和阳极之间来回移动,被包裹在氯化物离子厚的外壳中。另外,可以使用无金属的大而轻的有机阴离子。然而,这确实带来了一个问题:当电池充电时,这些“厚”的离子在哪里?什么可能是一个适合的阴极材料?作为比较,锂离子电池中,阴极由金属氧化物构成,在充电时容易吸收小的锂离子。然而,这对于这样的大离子不起作用。另外,这些大阴离子与锂阳离子有相反的电荷。


电池“颠倒”

为了解决这个问题,科瓦连科的团队有一个窍门:研究人员颠倒了锂离子电池的原则。在常规的锂离子电池中,阳极(负极)由石墨制成,其层(在充电状态下)含有锂离子。在科瓦连科的电池中,相反,石墨被用作阴极(正极)。厚的阴离子沉积在石墨烯层之间。在Kovalenko的电池中,阳极是由金属制成的。


Kravchyk在寻找“正确的”石墨的时候发现了一个惊人的发现:他发现在钢铁生产中产生的废石墨被称为“石墨”,这是一种很好的阴极材料。天然石墨也可以很好地工作 - 如果它是以粗糙的薄片提供的,而且不会磨得太细,或者折叠成非片状的。原因是石墨层在薄片的边缘是开放的,厚的阴离子因此能够更容易地滑入结构中。然而,通常用于锂离子电池的细磨石墨不适用于科瓦连科的电池:通过研磨石墨颗粒,层变得像皱巴巴的纸一样起皱。只有小的锂离子能够穿透这种皱折的石墨,而不是新的电池的厚阴离子。


由钢铁生产的“石墨石墨”或天然石墨片制成的石墨阴极电池具有极具成本效益的潜力。如果第一个实验是经过的,它也是持久的。几个月来,一个实验室系统在数千次充电和放电循环中幸存下来。Kravchyk解释说:“氯化铝 - 石墨阴极电池可以在日常家庭使用中持续数十年,并补充说:”类似的演示,但进一步增加电池电压,没有妥协的能力,甚至更轻的元素正在进行中,并将进一步增加在现有的60Wh kg-1到150Whkg-1以上的能量密度下”。

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