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東京理科大學(xué)教授通過合成一種新型電極材料(金屬化合物)可能替代鋰電池?

據(jù)外媒報道,現(xiàn)代生活對電的依賴越來越強(qiáng),而對電力的不斷需求也使得人們對更環(huán)保、更便攜的能源需求越來越高。盡管風(fēng)能和太陽能電池板是非常有前景的替代能源,但是由于此類能源的產(chǎn)量會受外部因素影響,因而非常不可靠。因此,從能源配置和經(jīng)濟(jì)角度來看,高能量的二次電池(可充電電池或蓄電池)才是未來的發(fā)展方向。
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東京理科大學(xué)(TokyoUniversityofScience)的Idemoto教授帶領(lǐng)一組研究員,通過合成一種新型電極材料(金屬化合物),成功逆轉(zhuǎn)了離子的化學(xué)反應(yīng),解決了能源的浪費(fèi)問題,為下一代可充電鎂電池的生產(chǎn)奠定了重要基礎(chǔ)。研究人員對該發(fā)現(xiàn)非常樂觀,表示:“我們合成了一種巖鹽,具有作為下一代二次電池正極材料的巨大潛力。”
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電池是最受歡迎的便攜式能源,由三個基本部件組成–陽極、陰極和電解液,該三部分相互發(fā)生化學(xué)反應(yīng),陽極產(chǎn)生額外的電子(氧化),電子被陰極吸收(還原),從而產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)。由于電解液抑制了陽極和陰極之間的電子流動,電子會優(yōu)先在外部電路流動,從而導(dǎo)致電流或“電”流動。當(dāng)陰極/陽極中的材料不能再吸收/脫落電子時,電池就“死了”。
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但是,有些材料利用反向運(yùn)行的外部電力,能夠逆轉(zhuǎn)此類化學(xué)反應(yīng),從而使材料回到原來的狀態(tài),此類可充電電池即手機(jī)、平板電腦和電動汽車等設(shè)備中的電池。
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東京理科大學(xué)的Idemoto教授及其同事合成了取代鈷的MgNiO2材料,有潛力成為新型陰極材料。Idemoto教授表示:“我們專注于使用多價鎂離子作為可移動離子的可充電鎂電池,有望實現(xiàn)能量密度高的下一代可充電電池?!弊罱捎阪V電池毒性低、容易實現(xiàn)逆轉(zhuǎn)反應(yīng),使人們對利用鎂作為高能量密度可充電電池的陽極材料產(chǎn)生了極大的興趣。但是,由于缺乏合適的互補(bǔ)型陰極和電解液,很難實現(xiàn)。
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在標(biāo)準(zhǔn)實驗室技術(shù)的基礎(chǔ)上,研究人員利用“反向共沉淀法”合成了此種新型鹽,而且可從水溶液中提取此種新型巖鹽。為了研究萃取鹽的結(jié)構(gòu)和晶格成像,研究人員采用了中子和同步X射線光譜學(xué),換句話說,他們研究了粉末樣品在中子或x射線照射下產(chǎn)生的衍射圖樣,同時,對巖鹽種類進(jìn)行理論計算和模擬,此類巖鹽具有正極材料所需的“充放電行為”,使得他們能夠根據(jù)生成的100個對稱不同候選結(jié)構(gòu)中能量最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),來確定鎂、鎳和鈷正離子在巖鹽結(jié)構(gòu)中的排列。
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除了結(jié)構(gòu)分析,研究人員還用三極電池和已知的參考電極在各種條件下進(jìn)行充放電測試,以了解巖鹽作為鎂充電電池正極材料的電化學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)可以根據(jù)鎂的成分和鎳/鈷的比例來控制電池的特性。進(jìn)行的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)分析使研究人員能夠展示巖鹽可作為正極材料,以及在不同環(huán)境下具有可靠性。
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目前,二次電池行業(yè)主要以鋰離子電池為主,在汽車和便攜式設(shè)備中用于電力存儲。但是,此類電池的能量密度和電力存儲能力有限。然而,Idemoto教授表示,新型二次鎂電池作為高能量密度的二次電池,有能力替代鋰離子電池

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