世界上容量最小的电池 [世界上最小的电池]

来源:报告汇总 发布时间:2019-07-07 02:01:45 点击:

  世界上最小的电池在这里,跟着小编来一探究竟吧!

  科学家制造世界最小电池,说明可充电电池最终如何失灵,就可以制成寿命更长的电池。

  新的高清图像中,电极导线的制备采用的材料,常用于可充电的锂离子电池,图像显示,它们变形是因为被充电。这种薄薄的纳米尺寸的导线扭曲变胖,是因为锂离子流过,这是在充电过程中发生的,研究论文发表在本周的《科学》杂志。这项工作说明可充电电池最终如何失灵,有了新的洞察,就可以制成更好的电池。

  这一纳米尺度电池显示,阳性锂离子如何淹没负电极(蓝色),改变材料大小、形状和性质 (绿色部分电极)。一些充电材料可能比其他材料更能适应这种重复变形。

  电池开发人员知道,充电和使用锂电池是一遍又一遍地做,这样就损害电极材料,这些照片都是纳米级的,可以真实地看到这是如何发生的。细导线是锡氧化物的,用作负电极,它会膨胀三分之一,拉长一倍,原因就是锂离子流过。此外,锂离子改变了锡氧化物,使它从整齐排列的晶体变成玻璃非晶材料。

  “锡氧化物纳米导线承受电流相关变形,胜过散装锡氧化物,”王重民(Chongmin Wang)说,他是材料科学家,在美国能源部太平洋西北国家实验室工作。“这让我想起用钢丝拧一根钢绳,你会把细细的钢丝拧在一起,而不是做一根粗钢丝。”

  他们制作的录像显示,纳米线看起来像一根稻草,而锂离子看起来像一种饮料,被吸入稻草。重复变形会破坏电极材料,因为这样引起的微小缺陷会随时间积累。

  追逐电子

  以前的工作是在美国能源部环境分子科学实验室进行的,就在西北太平洋国家实验室(PNNL)院内,当时,王重民和这里的化学家徐吴(Wu Xu)以及和其他同事成功拍摄到更大的纳米线快照,大约1微米,或者说百分之一的头发丝宽度,而且是部分充电的。但实验装置没有显示充电的实际过程。

  为了考察电极充电的动力学,王重民和徐吴找到了黄江雨(Jianyu Huang),黄江雨是美国能源部集成纳米技术中心的,就在新墨西哥州山迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories),也找了其他人。研究小组使用的特殊装备的透射电子显微镜(transmission electron microscope)技术,制成一个微型电池。这个仪器允许他们可以拍摄更小的导线,直径大约200纳米(大约是以前导线宽度的五分之一),而且是在充电时拍摄。

  可充电锂离子电池管用,是因为锂离子吸引电子。带正电的锂离子通常停留在正电极上,在那里,金属氧化物与锂共享电子。给电池充电,就是把自由电子泵抽到负电极,负电极位于电解质溶液的另一端,锂离子可游过去,电子却不能。锂吸引电解液阴极端的电子,更甚于它已经与金属氧化物共享的电子,就是在阳极共享的电子。所以锂离子由正极流到负极,匹配那里的自由电子。

  但电子见异思迁。设备中使用电池,会使电子滑出负电极,留下后面的锂离子。所以,因为没有自由电子的陪伴,锂离子就又回到正电极和金属氧化物的怀抱。

  王重民的微型电池包含的正电极是锂钴氧化物(lithium cobalt oxide),负电极的制备采用了细细的锡氧化物纳米线。在两个电极之间,电解质引导锂离子通过,但会挡住电子。电解液是专门设计的,可承受显微镜下的条件。

  研究小组给微型电池充电,在恒定电压时,锂离子活跃,穿过锡氧化物导线,淹没在阴极的电子中。导线就膨胀拉长,总体积增加 250%,而且扭曲得像一条蛇。

  此外,显微镜显示,导线刚开始是水晶形的。但锂离子把锡氧化物转变成一种材料,就像玻璃,原子排列更随机,不像在水晶中。研究者总结出一个数量,就是有多少变形发生在充电和使用中,就会很快磨损电池材料。尽管如此,锡氧化物看起来是好得多的纳米线,胜过更大的散装形式。

  “我们认为,这项工作能刺激新的思维,研究普通的能量储存,”王重民说。“这仅仅是个开始,我们希望以后的工作会让我们知道如何设计更好的电池。”

  未来的工作包括拍摄这种微型电池在反复充放电时会发生什么。当电池使用时,锂离子必须流过锡氧化物导线,穿过电解质,回到正电极。锂被激发并退回去时,会留下多少结构性的损坏,这会将帮助研究者了解,为什么充电电池在充电很多次后会失效。

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