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新陽極技術使電池快速充電

2011/11/08 | | 標籤:

次世代電池成份中的一項突破或許來自一種特殊的材料,隨著時間過去,其結構會轉變成表現得更好。

一個來自美國能源部 Argonne 國家實驗室的研究團隊(由 Argonne 奈米科學家 Tijana Rajh 以及電池專家 Christopher Johnson 所領導)發現,當電池經歷充電循環(cycled)後,由二氧化鈦所組成的奈米管,能轉變它們的相(phase),逐漸提昇它們的可用容量(operational capacity)。實驗室測試證明,這種新電池,在不到 30 秒內,能重新充電至其原本容量的一半。

藉由將傳統的石墨陽極轉換成鈦奈米管所組成的,Rajh 以及她的同僚目擊了一種驚人的現象。電池在經歷過數次充電與放電的循環後,其內部結構開始以某種能大幅改善此電池效能的方式,自行確定其排列方向(began to orient itself)。

“當我們開始研究此材料時,我們並不預期這件事會發生,但陽極自發性地採用最佳結構," Rajh 說。"此系統內部有種可塑性,當電池經歷充電循環後,允許它改變。"

根據 Argonne 奈米科學家 Hui Xiong(她與 Rajh 合作開發新陽極材料)表示,二氧化鈦看起來似乎不太可能會完全取代石墨。"我們從某種材料開始,我們未曾想過那會提供某種有用的用途,可是它卻轉變成某種東西,那賦予我們最棒的可能結果," 她說。

Rajh 小組中的另一位研究者,Sanja Tepavcevic,亦採用類似方法為某種鈉離子奈米電池製造出一種自我改良的構造。

“這是一種高度不尋常的材料行為," Jeff Chamberlain 補充,他是 Argonne 化學家,他領導實驗室的能源儲存主要倡議。"我們看見某種奈米級相變,從科學的觀點來看,那非常有趣,而且對這些材料的行為有更深入的理解,那將能解開用於電能儲存系統中的材料之謎。"

根據 Rajh,二氧化鈦似乎像是電池開發中,一種難以置信的解決方案,其理由在於此材料的非晶(amorphous)本質。因為非晶材料沒有內部秩序(internal order),它們缺乏高度有序的結晶材料的特殊電氣特性。然而,非晶材料在充電循環期間,不曾被人知道會經歷過如此深刻的結構轉變(structural transformations)。絕大部分已知的電池材料都經歷過相對轉變(opposite transition):它們從高度結晶化開始,然後隨著充電週期過去,碎裂成非晶態。

二氧化鈦而非石墨的陽極組成亦改善鋰離子電池的可靠性與安全性。在某些例子中,鋰會脫離溶液並沈積在石墨陽極上,引發一種危險的連鎖反應,稱為熱散逸(thermal runaway,熱耗散)。"我們在鈦陽極進行的每一類型測試都證明,它們超級穩定," Chamberlain 說。

這項 Argonne 發現來自於該實驗室二種旗艦級使用者設施:奈米級材料中心以及先進光子源。結合尖端奈米組裝技術與高強度 X 光以特徵化奈米管,Argonne 研究者從而能迅速觀察這種不尋常的行為。

資料來源:

  1. PHYSORG:Batteries get a quick charge with new anode technology[November 3, 2011]
  2. ARGOON:Batteries get a quick charge with new anode technology

轉載自only-perception

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