來(lái)源：材料科技在線

 

1.多孔石墨烯加速能源革命

 

科學(xué)家一直在尋找一種可以儲(chǔ)存大量電荷并可以迅速釋放能量的材料?，F(xiàn)在研究人員已經(jīng)做出了初步的材料——石墨烯--Nb2O5納米復(fù)合材料。

 

納米結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能材料受到超薄電極和低質(zhì)量負(fù)載的限制，然而研究人員制備了三維多孔石墨烯網(wǎng)絡(luò)，加入Nb2O5后表現(xiàn)得類似于納米導(dǎo)電支架，克服了上述問(wèn)題。相互連接的石墨烯結(jié)構(gòu)提供了電子傳輸?shù)目蚣?，而可調(diào)節(jié)的孔隙允許離子的快速移動(dòng)。這項(xiàng)工作非常出色。由新的納米復(fù)合材料制成的電極，在實(shí)際有用的重量(11 mg/cm2)下仍然顯示出高速和高區(qū)域容量。

 

 

2、重磅消息！儲(chǔ)氫不再遙遙無(wú)期！

 

勞倫斯•利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的科學(xué)家通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了二硼化鎂(MgB2)吸收氫氣的原理，并為將MgB2轉(zhuǎn)化為Mg(BH4)2(硼氫化鎂，氫含量最高)的反應(yīng)途徑提供了重要的見(jiàn)解。

 

由于Mg(BH4)2的氫含量很高而且熱力學(xué)性能也很獨(dú)特，所以Mg(BH4)2是一種特別有希望的儲(chǔ)氫材料。研究發(fā)現(xiàn)，在氫暴露的初始階段，MgB2可以氫化成Mg(BH4)2而不形成中間體化合物。這項(xiàng)研究為理解固態(tài)儲(chǔ)氫材料中的復(fù)雜反應(yīng)、實(shí)驗(yàn)和理論整合提供了一個(gè)更加全面的路線圖。

 

 

3、小儲(chǔ)能器件釋放大能量

 

壓電材料利用實(shí)際應(yīng)用中的機(jī)械壓應(yīng)力來(lái)產(chǎn)生電能，并且壓電材料可被應(yīng)用于手機(jī)到超聲波換能器等各個(gè)領(lǐng)域。這種電能也可以由振動(dòng)引起的應(yīng)力產(chǎn)生，因此科學(xué)家創(chuàng)造了PEH。這些PEH可以小到微米或納米級(jí)別，并與納米器件一起使用。

 

來(lái)自伊朗的研究小組基于非局部彈性理論研究了非線性振動(dòng)和電壓，該理論指出點(diǎn)應(yīng)力取決于該點(diǎn)附近區(qū)域的應(yīng)變。通過(guò)這個(gè)理論，他們可以更簡(jiǎn)單直接的推導(dǎo)非線性運(yùn)動(dòng)方程。研究結(jié)果表明，納米尺度的質(zhì)量和比例因子產(chǎn)生的電壓和振幅成正比。隨著在醫(yī)療、工程和物理等領(lǐng)域的應(yīng)用，科學(xué)家在納米器件所需要與其尺寸匹配的供能系統(tǒng)的研究上已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，如最近研究出的PEHs模型。

 

4、創(chuàng)建更持久的燃料電池

 

影響燃料電池壽命的一個(gè)主要問(wèn)題是中央電解質(zhì)膜的氧化或分解。這個(gè)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致電解質(zhì)膜上產(chǎn)生孔洞，并最終導(dǎo)致化學(xué)短路。

 

華盛頓大學(xué)—圣路易斯的一個(gè)工程小組已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新的方法來(lái)檢測(cè)氧化反應(yīng)的速率。這項(xiàng)技術(shù)在了解電池如何分解、設(shè)計(jì)如何延長(zhǎng)燃料電池壽命時(shí)將是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這種新的方法能讓研究人員關(guān)注的發(fā)生在電池內(nèi)部的現(xiàn)象有一個(gè)更好的解釋。在操作過(guò)程中，使用燃料電池內(nèi)部熒光光譜監(jiān)測(cè)氧化物質(zhì)——自由基的形成。通過(guò)熒光光譜與光纖的結(jié)合使用，研究者可以直觀地量化燃料電池內(nèi)部產(chǎn)生的會(huì)破壞電解質(zhì)膜的氧化自由基。

 

 

5、Science突破：鈣鈦礦太陽(yáng)能電池突破瓶頸，既高效又穩(wěn)定不再是夢(mèng)！

 

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）制造成本低，光電轉(zhuǎn)換效率高。但從商業(yè)化生產(chǎn)角度考慮，鈣鈦礦薄膜還需要具有高的耐用性，并且在太陽(yáng)光下不會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生降解。

 

科學(xué)家們通過(guò)引入硫氰酸亞銅（表面被一層薄薄的還原氧化石墨烯所保護(hù)），大大提高了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的工作穩(wěn)定性。在對(duì)該類型的太陽(yáng)能電池進(jìn)行加速壽命測(cè)試試驗(yàn)(一項(xiàng)重要的檢測(cè)項(xiàng)目，在60℃的條件下，將待測(cè)對(duì)象暴露于全光照下1000小時(shí)以上)時(shí)發(fā)現(xiàn)，器件的損耗程度不足5％；電池以最大功率、不低于原始工作效率(20%以上)95%的情況下連續(xù)工作了1000多個(gè)小時(shí)。這甚至超過(guò)了基于有機(jī)空穴傳輸材料的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性，這類太陽(yáng)能電池目前正被大量研究且在該領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。

 

 

6、鋰電池充電提速小幫手——瀝青

 

萊斯大學(xué)的科學(xué)家認(rèn)為，一塊瀝青可能對(duì)高容量鋰金屬電池而言是神奇的，它可以使商業(yè)鋰離子電池的充電速度提高10到20倍。

 

化學(xué)家James Tour在Rice實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出由瀝青制成的多孔碳的陽(yáng)極，其在超過(guò)500個(gè)充電---放電循環(huán)之后顯示出極好的穩(wěn)定性。高電流密度為20mA/cm2，證明了該材料在高功率密度下的快速充放電裝置中的應(yīng)用前景。這些電池的容量是非常巨大的，但同樣引人奪目的是，其充電速度提高了20多倍。

 

 

7、新發(fā)現(xiàn)！涂覆金屬納米粒子的紙基超級(jí)電容器有望應(yīng)用于可穿戴設(shè)備

 

來(lái)自美國(guó)和韓國(guó)的研究人員利用金屬納米粒子在紙上涂覆纖維，來(lái)制備出能量密度和電荷密度都很高的超級(jí)電容器電極，開(kāi)發(fā)了一種紙基柔性超級(jí)電容器，這種電容器可以為可穿戴設(shè)備供電。

 

通過(guò)在紙上涂覆導(dǎo)電和儲(chǔ)電材料，此項(xiàng)技術(shù)制備了可以充當(dāng)電極集電器和納米粒子存儲(chǔ)器的大表面。測(cè)試表明：應(yīng)用了此技術(shù)的設(shè)備可以折疊數(shù)千次而不影響其傳導(dǎo)性。這種柔性能量?jī)?chǔ)存設(shè)備為可穿戴設(shè)備聯(lián)網(wǎng)提供了獨(dú)特機(jī)遇，有助于我們促進(jìn)最先進(jìn)便攜電子器件的發(fā)展。我們也有機(jī)會(huì)把這種超級(jí)電容器與集能設(shè)備結(jié)合，這樣就可以為生物醫(yī)療傳感器、消費(fèi)者、軍用電子設(shè)備及類似的應(yīng)用供電。

 

8、新型電解質(zhì)讓固態(tài)鋰電池的普及不再遙遠(yuǎn)！

 

美國(guó)猶他大學(xué)礦物與地球科學(xué)學(xué)院的Jan D. Miller教授和研究人員研發(fā)出一種新的基于DRAGONITE的固體聚合物電解質(zhì)(SPE)，這可能會(huì)增加固態(tài)鋰電池技術(shù)在商業(yè)方面的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的液體和凝膠基鋰電池相比，固態(tài)鋰電池具有更長(zhǎng)的循環(huán)壽命、更大的儲(chǔ)存能力，而且生產(chǎn)成本更低。

 

Miller教授的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)展示了如何將DRAGONITE整合到聚合物電解質(zhì)中，如此一來(lái)可以在寬范圍的工作溫度范圍內(nèi)降低結(jié)晶度，從而減少目前固態(tài)鋰電池技術(shù)所遇到的電導(dǎo)率損失。值得強(qiáng)調(diào)的是，這種突破是由于DRAGONITE納米管形態(tài)的獨(dú)特表面性質(zhì)，DRAGONITE納米管為提高電解質(zhì)材料導(dǎo)電性創(chuàng)造出多維途徑。

 

9、這種新材料居然可從海水中提取氫氣！

 

在很多情況下，從太陽(yáng)能中生產(chǎn)化學(xué)燃料，是比太陽(yáng)能電池板發(fā)電更加有效的解決方案。電能必須被使用或者存儲(chǔ)在電池中，但是電池會(huì)降解，而氫氣則很容易存儲(chǔ)和運(yùn)輸。 制造催化劑相對(duì)便捷、便宜。

 

來(lái)自UCF的研究人員Yang Yang提出了一種利用太陽(yáng)能的新型混合納米材料，并且利用它能夠更加廉價(jià)和有效地從海水中生產(chǎn)氫氣。一般的催化劑只能將有限帶寬的光轉(zhuǎn)化為能量。憑借其新材料，Yang的團(tuán)隊(duì)能夠顯著提高可吸收光的帶寬。通過(guò)控制納米片中硫的空位密度，他們可以產(chǎn)生紫外—可見(jiàn)光—紅外光這一范圍波長(zhǎng)的能量，使其效率至少是當(dāng)前光催化劑的兩倍。新型催化劑，不僅可以獲得比其他材料更加廣泛的光照，而且可以應(yīng)對(duì)海水中的惡劣環(huán)境。

 

 

10、先進(jìn)電極和催化劑極大的影響電池性能

 

UCF的研究人員設(shè)計(jì)了一種新型的鋰離子電池，這種電池可以顯示出優(yōu)良的導(dǎo)電性，在高溫環(huán)境中保持穩(wěn)定，并且制造成本低廉。最重要的是，它為高性能的鋰離子電池提供了一種充電方式，在不損壞的情況下，可以進(jìn)行數(shù)千次的充放電。

 

所有電池在反復(fù)充放電之后性能都會(huì)失效。高質(zhì)量的鋰離子電池在電池失效之前，可以充放電300-500次。實(shí)驗(yàn)表明，硫化鎳和硫化銅作為陰極的電池充放電可以達(dá)到5000次以上。這種電催化劑比鋰離子電池中的揮發(fā)性化合物更安全、更穩(wěn)定，可以在雨水、極端溫度和其他惡劣條件下發(fā)揮作用。此外，如果不需要貴金屬，它可以更便宜的價(jià)格生產(chǎn)。

 

 

11、納基電池或許比鋰基電池更具優(yōu)秀的儲(chǔ)存能力

 

斯坦福大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出了一種新型鈉基電池，它的儲(chǔ)存能力可以和最先進(jìn)的鋰離子電池媲美，但成本卻要低得多。

在電池的制造成本中，材料成本大約占四分之一，而鋰開(kāi)采和提煉的成本大約是每噸1萬(wàn)5千美元，鈉每噸的成本只有150美元，這也是斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研究鈉基電池的原因。研究人員認(rèn)為，他們?cè)谧匀荒茉措s志發(fā)表的論文證明，以硅為基底的電池可以是鋰電池的成本低廉的替代品。在已經(jīng)優(yōu)化了陰極和充電循環(huán)過(guò)程之后，研究人員計(jì)劃將下一步研究的重點(diǎn)放在調(diào)整鈉離子電池的陽(yáng)極上。

 

12、綠色發(fā)展，來(lái)源于廢石墨的低成本鋰電池

 

鋰離子電池是易燃的，而目前，其原材料正處于價(jià)格上漲階段。那么問(wèn)題來(lái)了，當(dāng)今是否存在著可替代鋰離子電池原料的材料呢？顯然，答案是肯定的：Empa和蘇黎世研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了有希望的方法，或許我們可以使用廢石墨和廢金屬生產(chǎn)來(lái)電池。Empa分公司的兩個(gè)研究人員有一個(gè)雄心勃勃的目標(biāo)，那就是利用地殼中最常見(jiàn)的元素（如鎂或鋁）來(lái)制備電池。

 

通過(guò)不斷地探索，研究人員發(fā)現(xiàn)，自然界存在的天然石墨如果制成粗糙的薄片，而不是磨得太細(xì)或者折疊成非薄片形狀時(shí)，也可以有效地發(fā)揮作用。這可以極大的降低鋰電池的生產(chǎn)成本，工業(yè)化應(yīng)用后將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

 

 

13、敲黑板！硫在可充電鋰電池中占有關(guān)鍵地位

 

由于硫價(jià)格低并可以為電池提供高充電能力，更高的能量密度，所以在鋰電池中添加硫是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因此鋰硫電池具有更多的能量。

 

研究人員說(shuō)：“我們可以使用這種混合有機(jī)硫化物或有機(jī)聚硫化物界面，使鋰硫電池將傳統(tǒng)直流電池的能量密度加倍。”研究人員在“自然通訊”雜志上報(bào)道了有機(jī)硫化合物在相間層中起增塑劑的作用，并提高了界面的機(jī)械柔韌性和韌性。相間層允許鋰離子沉積而不生長(zhǎng)樹(shù)枝狀晶體。實(shí)驗(yàn)表明，在400次充電放電周期中，庫(kù)侖效率約為99％。后來(lái)，研究人員使用含硫聚合物添加劑的醚基電解質(zhì)來(lái)研發(fā)電池。其中電池使用含硫的碳陰極和鋰陽(yáng)極。電解液中的有機(jī)硫自身形成相間層。研究人員稱，他們最終研發(fā)出保持良好容量，長(zhǎng)達(dá)1000個(gè)鋰循環(huán)壽命的鋰硫電池。

 

 

14、新型二維金屬有機(jī)雜化物可有效地移動(dòng)電荷實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)可再生能源

 

科學(xué)家們一直在尋找一種能夠引發(fā)一場(chǎng)可再生能源收集和儲(chǔ)存革命的新一代材料。根據(jù)南加州大學(xué)科學(xué)家的說(shuō)法，事實(shí)證明，金屬—有機(jī)框架其實(shí)可以用與金屬相同的方式來(lái)導(dǎo)電。

 

這一發(fā)現(xiàn)將開(kāi)啟金屬——有機(jī)框架研究的大門，相信未來(lái)可以在一個(gè)非常大的規(guī)模上有效解決可再生能源的存儲(chǔ)問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用鈷基金屬——有機(jī)骨架，模擬了不同溫度下金屬和半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。由科學(xué)家設(shè)計(jì)的金屬——有機(jī)骨架在非常低和非常高的溫度下均表現(xiàn)出了最大的導(dǎo)電性。南加州大學(xué)文理學(xué)院的化學(xué)助理教授SmarandaMarinescu說(shuō)：“當(dāng)金屬電導(dǎo)率與其他催化性能結(jié)合在一起時(shí)，其被應(yīng)用在可再生能源生產(chǎn)和儲(chǔ)存領(lǐng)域的潛力更大。

 

 

15、科學(xué)家從肌肉組織獲得靈感研發(fā)出新型電池

 

基于日益增長(zhǎng)的環(huán)境壓力，全世界正努力開(kāi)發(fā)低成本、高效和可持續(xù)的能源儲(chǔ)存系統(tǒng)。而可充電電池是各種方式中最合適的選擇，但現(xiàn)有的基于鋰離子技術(shù)的能源系統(tǒng)有著很嚴(yán)重的限制。他們可以存儲(chǔ)在給定的體積中的能量往往不能達(dá)到最優(yōu)，并且還包含有其他技術(shù)問(wèn)題，如低導(dǎo)電性。這些傳統(tǒng)電池不再是滿足小型電子設(shè)備需求的理想選擇。

 

來(lái)自中國(guó)的徐和他的同事在他們創(chuàng)造的“肌肉結(jié)構(gòu)”電池電極中靈感的來(lái)源。其中，載有碲元素的微小碳球代替了肌肉細(xì)胞。而導(dǎo)電的碳納米管被排列成毛細(xì)血管的結(jié)構(gòu)。納米管傳輸電子和離子——電子電路中的“血液”——而碳--碲“電池”則提供了一種緊湊的結(jié)構(gòu)，用于儲(chǔ)存電能。在對(duì)其所有復(fù)雜的技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，研究人員將他們創(chuàng)造的電極組件的總體性能概括為“優(yōu)秀”。因?yàn)槠淠軌驅(qū)崿F(xiàn)一種高能量存儲(chǔ)容量，即能夠?qū)崿F(xiàn)500個(gè)充電和放電的循環(huán)過(guò)程。

 

 

16、新發(fā)現(xiàn)，低成本硫電池可能有助于可再生能源的儲(chǔ)存!

 

一組麻省理工學(xué)院的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種由幾種現(xiàn)成的材料硫磺、空氣、水和鹽組成的電池，成本比目前市場(chǎng)上的電池成本便宜近100倍,并且可以儲(chǔ)存相當(dāng)于鉛酸電池兩倍的能量。

 

Chiang教授和他的同事們對(duì)硫的潛力特別感興趣，硫是一種豐富的非金屬，是天然氣使用的產(chǎn)物——作為一種輕型和廉價(jià)的蓄電池的核心部件。Chiang教授說(shuō)：“我們正在尋找一種成本非常低的材料做電池的正極，我們可以用硫作為負(fù)電極。通過(guò)一次偶然的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)氧氣可能可以作為這種征集所需材料，因此選用空氣作為電池的正極。我們發(fā)現(xiàn)鈉可以作為一個(gè)電荷載體在硫和空氣電極之間來(lái)回移動(dòng)。這種電池的總化學(xué)成本約為1美元/千瓦時(shí)。”研究人員計(jì)劃繼續(xù)努力使可再生能源存儲(chǔ)電池更有效率，同時(shí)降低電池結(jié)構(gòu)的成本，并延長(zhǎng)電池使用壽命。

 

 

簡(jiǎn)介

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