電動汽車未獲得突破性進(jìn)展是因?yàn)槭艿搅四男┮蛩氐淖璧K？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2020-04-28 21:52
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據(jù)外媒報(bào)道，現(xiàn)在，人們對由電池驅(qū)動的設(shè)備和電器的使用一直在穩(wěn)步增長，同時也使得對安全、高效和高性能電源的需求在不斷上漲。而一種稱為超級電容器的電能存儲設(shè)備最近開始被認(rèn)為是一種實(shí)用、甚至更好的能量存儲設(shè)備，可以代替目前廣泛使用的鋰離子電池等儲能設(shè)備。超級電容器的充放電速度更快，能夠持續(xù)工作的時間也更長，因而可用于車輛再生制動、可穿戴電子設(shè)備等各種應(yīng)用。
不過，盡管超級電容器的潛力很大，目前仍有一些缺點(diǎn)阻礙其得到廣泛應(yīng)用。主要問題之一就是能量密度低，即單位面積空間所存儲的能量不足。一開始，科學(xué)家們嘗試?yán)糜袡C(jī)溶劑作為超級電容器的電解液（作為傳導(dǎo)介質(zhì)）以解決該問題，提高產(chǎn)生的電壓（注意，在能量存儲設(shè)備中，電壓的平方與能量密度成正比）。但是，有機(jī)溶劑很昂貴且導(dǎo)電率低。因此，科學(xué)家們認(rèn)為，也許水電解質(zhì)會更好。自此，研發(fā)配備水電解質(zhì)的高效超級電容器元件成為了該領(lǐng)域的中心研究課題。最近取得研究突破的科學(xué)家Takeshi Kondo表示：“如果能夠利用不易燃、無毒且安全的水電解質(zhì)制成高性能的超級電容器，該超級電容器能夠整合至可穿戴設(shè)備和其他設(shè)備，為物聯(lián)網(wǎng)帶來好處。”據(jù)外媒報(bào)道，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（Karlsruhe Institute of Technology，KIT）及合作機(jī)構(gòu)的研究人員為研發(fā)未來高能量鋰離子電池，研究了陰極材料合成過程中結(jié)構(gòu)的變化，并獲得了有關(guān)陰極材料退化機(jī)理的重要發(fā)現(xiàn)，或有助于研發(fā)更大容量的電池，以增長電動汽車的續(xù)航里程。
到目前為止，電動汽車未獲得突破性進(jìn)展是因?yàn)槭艿搅死m(xù)航里程不足等因素的阻礙，具備更高蓄電量的電池有望緩解此種情況。應(yīng)用材料-儲能系統(tǒng)（IAM-ESS）研究所所長Helmut Ehrenberg教授表示：“我們正在研發(fā)此類高能量系統(tǒng)，在我們看來，基于對電池電化學(xué)過程的理解，加上創(chuàng)新使用新材料，有望將鋰離子電池的存儲容量增加30%。”
高能量鋰離子電池技術(shù)與傳統(tǒng)電池技術(shù)的區(qū)別在于陰極材料的不同，不再采用不同比例鎳、錳和鈷構(gòu)成的層狀氧化物，轉(zhuǎn)而使用含過量鋰、富含錳的材料，能夠大大提高陰極材料的單位體積/質(zhì)量儲能能力。不過，到目前為止，采用此種材料會遇到一個問題。
例如，在電池插入和提取鋰離子的過程中（電池的基本功能），高能量陰極材料會退化。經(jīng)過一定時間后，層狀氧化物會變成一種晶體結(jié)構(gòu)，電化學(xué)性能特別差。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池的平均充放電電壓在一開始時就降低了，從而阻礙了高能量鋰離子電池的發(fā)展。
Kondo博士與東京理科大學(xué)（Tokyo University of Science）團(tuán)隊(duì)以及日本化學(xué)公司Daicel Corporation合作，探索利用摻硼納米金剛石（boron-doped nanodiamond）作為超級電容器電極的可能性，電極是電池或電容器中的導(dǎo)電材料，它將電解液與外部電線連接，將電流輸送出系統(tǒng)。該研究團(tuán)隊(duì)選擇該電極材料是基于這樣一種認(rèn)識，即摻硼金剛石具有寬電位窗，能夠讓高儲能設(shè)備在長時間內(nèi)保持穩(wěn)定。Kondo博士表示：“我們認(rèn)為，如果將導(dǎo)電金剛石用作電極材料，就可以讓水基超級電容器產(chǎn)生大電壓。”
科學(xué)家們采用了一種名為微波等離子體輔助化學(xué)氣相沉積（MPCVD）的技術(shù)來制造此類電極，并通過測試驗(yàn)證性能。他們發(fā)現(xiàn)，在含有水硫酸電解液的雙電極系統(tǒng)中，此類電極產(chǎn)生的電壓比傳統(tǒng)電池的高得多，因此超級電容器的能量和功率密度也會高得多。此外，他們還發(fā)現(xiàn)，即使經(jīng)過1萬次的充放電循環(huán)，該電極仍然非常穩(wěn)定。
獲得成功之后，科學(xué)家們接著探索，如果將電解液變成飽和高氯酸鈉溶液，此種電極材料是否會擁有同樣的性能。眾所周知，飽和高氯酸鈉溶液能夠產(chǎn)生比傳統(tǒng)硫酸電解液更高的電壓。實(shí)際上，該裝置已經(jīng)產(chǎn)生了更高的電壓。因此，正如Kondo博士所說：“摻硼納米金剛石電極對于水基超級電容器非常有用，而此類超級電容器適合用作高速充放電的高儲能設(shè)備。”
