2016年7月16日 星期六

可利用磁場改良電動車的鋰離子電池

Magnetic Field Makes a Better Lithium-Ion Battery for Electric Vehicles

By Dexter Johnson
Posted 12 Jul 2016 | 20:26 GMT
Photo: MIT

麻省理工學院的研究人員已經開發出鋰離子(Li-ion)電池的電極材料比傳統電極高三倍面積容量的製造方法。正常充放電速率下的傳統電極其面積容量為每平方公分4毫安小時平方公分(mAh/cm2),然而在它們迄今製造的器件中,他們測出了12 mAh/cm2的面積容量。

MIT的研究小組開發的技術涉及使用外部磁場並以特定的方式來對齊在電極材料中的孔隙,以實現如此高的容量。而且由於產物的一些特性,這些鋰離子電池可能非常適合電動汽車(EV)的要求。


研究人員試圖以磁模板化方法實現的一個特性是各向異性(anisotropy),這意味著該材料的物理性質在不同方向表現不同。木材是一個很好的例子,它在順其紋理的方向較強,反之則較弱。

研究表明,在高孔隙密度下,各向異性的孔隙對齊電荷傳輸方向的結構在傳輸速度更有優勢。這意味著即使是真的很厚的電極材料,它不僅可以提供高存儲容量,同時還有快速的傳輸速度。不幸的是,今天的鋰離子電池的設計並沒有利用這種各向異性的優勢。

研究人員試圖在電極材料中實現另一個特性是所謂的低扭曲(low-tortuosity)。這意味著減少孔隙的蜷曲及轉動。如果可以減少這種扭曲,可以提高電極材料的導電性。此特性在你加厚電極材料以獲得更大容量時再次成為被關注的重點。

由MIT的研究小組開發,以實現這些性能的實際過程始於將磁性材料分散在電極粒子懸浮液。這種磁材料將犧牲,但它被消除之前,它讓一個外部磁場能夠對該材料產生各向異性排序。


雖然對兩種不同的犧牲磁性材料進行了測試,但他們都達到了主要目標:在電極材料中的孔隙通道的有序陣列。磁性相被定向之後,溶劑相蒸發,留下固態電極。在期刊自然能源(Nature Energy)中有對這兩個方法的完整描述。

以這兩個方法製作的鈷酸鋰(LCoO2)電極不僅使電極的可用容量增至三倍,且它們放電曲線更是比傳統鋰離子電池的恆流放電更符合電動汽車的運行工況*(drive cycles)。

研究人員報告指出,對齊的孔道產生的面積容量(存儲容量相對於物理尺寸的測量)高於8 mAh/cm2,超出傳統鋰離子電極的面積最高容量兩倍以上。

MIT的研究小組認為,利用磁場來對齊既快速、可擴展到大面積,且可作為新的製造工藝的基礎,使我們以更低的成本得到更高能量密度的厚電極電池。

*或稱駕駛循環,https://zh.wikipedia.org/wiki/汽車運行工況


來源:http://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/materials/magnetic-field-makes-a-better-lithiumion-battery-for-electric-vehicles