鎂/海水燃料電池技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用有哪些？有望大幅延長鋰電池“壽命”
來源：未知
2019-04-06 21:09
點擊量：次
馬里亞納海溝，這個地球最深處的地方，逐步有了中國深潛器的身影。日前，海斗深淵科考試驗隊針對馬里亞納海溝區(qū)域地球物理和深淵環(huán)境開展綜合科學(xué)考察，并對深海裝備進行海試與應(yīng)用，多項科考成果取得重要突破。中科院大連化物所醇類燃料電池及復(fù)合電能源研究中心金屬燃料電池系統(tǒng)研究組研制的鎂/海水燃料電池，搭載“探索一號”科考船在馬里亞納海溝海域順利開展了兩次萬米試驗，最大下潛深度10910米，作業(yè)時間22小時，是國際上首次在萬米深淵開展試驗的新型金屬/海水燃料電池，為全海深新型高比能鎂/海水燃料電池技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。
大連化物所研究員王二東介紹說，鎂/海水燃料電池具有電池能量密度高，可全海深工作，安全性好，成本低等特點。最厲害之處在于“喝海水，就可以發(fā)電”。在“鎂/海水燃料電池”誕生之前，水下電池主要以鋰離子電池和銀鋅電池等為主，為避免短路，解決方式是給電池罩個“金鐘罩”，但是這樣不僅會產(chǎn)生成本過高的問題，也會存在很大的安全隱患?？蒲腥藛T在研究過程中使用廉價、易得的金屬鎂或鋁作為負極材料，鎂或鋁能夠與海水反應(yīng)，但卻不像“鋰”一樣“遇水就著”。同時讓海水作為電解質(zhì)和氧化劑，這樣電池“喝海水”就能發(fā)電。該技術(shù)得到國家重點研發(fā)計劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點專項的支持。
金屬燃料電池具有比能量高、干態(tài)儲存壽命長、放電電壓平穩(wěn)、成本低、使用安全等優(yōu)點，可作為應(yīng)急儲備、野外通信和水面、水下裝備等電源。其中，鎂/海水燃料電池作為金屬燃料電池的一種，主要應(yīng)用在海洋裝備中。據(jù)了解，截至2017年底，大連化物所在金屬燃料電池相關(guān)領(lǐng)域，就申請了專利90項，授權(quán)30項，其中包含2項美國專利。
鋰電池在使用過程中會產(chǎn)生枝晶，枝晶斷裂不僅會導(dǎo)致電池容量衰減，壽命打折，還可能刺透隔膜使電池短路起火引發(fā)安全問題。南開大學(xué)梁嘉杰、陳永勝教授課題組與江蘇師范大學(xué)賴超課題組合作提出了解決這一問題的新優(yōu)化策略，成功制備了具有多級結(jié)構(gòu)的銀納米線—石墨烯三維多孔載體，并負載金屬鋰作為復(fù)合負極材料。這一載體可抑制鋰枝晶產(chǎn)生，從而可實現(xiàn)電池超高速充電，有望大幅延長鋰電池“壽命”。該研究成果在最新一期《先進材料》上發(fā)表。
近年來，世界各國有不少相關(guān)研究在鋰負極材料的設(shè)計合成上取得重要突破，但至今仍無法抑制金屬鋰在大電流密度充放電下枝晶產(chǎn)生以及電極體積膨脹的問題，因此鋰電池的長壽命、大容量“快充快放”依然難以逾越。
“把金屬鋰沉積到具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔集流體中構(gòu)建金屬鋰復(fù)合負極材料，是目前解決上述困難的有效途徑之一。”梁嘉杰介紹說?；诖苏J識，課題組首次提出實現(xiàn)超高電流密度及超長循環(huán)壽命的理想金屬鋰負極三維載體材料選擇及優(yōu)化策略。他們利用石墨烯宏觀體三維網(wǎng)絡(luò)作為機械骨架，銀納米線二維網(wǎng)絡(luò)作為導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，通過低成本、與工業(yè)化生產(chǎn)相兼容的涂布—冷干法，制備具有多級結(jié)構(gòu)的銀納米線—石墨烯三維多孔載體，并負載金屬鋰作為金屬鋰復(fù)合負極材料。
經(jīng)測試，該金屬鋰復(fù)合負極材料的比容量可達2573mAh/g;對稱電池測試中，首次實現(xiàn)了在極高電流密度40mAh/cm2下反復(fù)充放電1000周以上，并且過電勢低于120毫伏。通過電鏡觀察可以看到，該多級三維結(jié)構(gòu)載體即使在極大電流充放電的循環(huán)條件下，仍能成功抑制金屬鋰負極中鋰枝晶生長以及電極體積變化。
