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循环10000次!崔屹最新大作――新型Mn-H高比能长寿命电池【时时彩票】

编辑: 来源: 创发布时间:2021-01-25阅读64087次
  

【时时彩票】锂离子电池具有电压低(3.7V)、比能量高(200Wh/kg以上)、寿命长等优点,是目前电动汽车动力电池的选择。然而,随着动力电池市场需求的快速增长,涉及上游原材料的产品价格也在上涨。

与锂离子电池相关的原材料,如锂、钴和镍,在2017年往往大幅下降,尤其是锂和钴。在动力电池生产成本大幅下降和产业链下游汽车制造商成本降低的双重压力下,动力电池制造商的利润率被大大打破。同时,在激烈的市场竞争下,动力电池制造商缺乏定价权,因此2018年对大多数动力电池制造商来说仍然是非常困难的一年。

提高动力电池的性能和降低生产成本是未来动力电池研发的关键。最近,崔屹和斯坦福大学的陈为联合开发了一种基于二氧化锰-H2的新型电池。电池采用水溶液作为电解液,工作电压超过1.3V V,通过优化电池实际比容量,平均比容量为139Wh/kg(理论比容量约为174Wh/kg),平均循环寿命1万次以上,成本低。

锰氢电池负极的工作原理是可溶性二氧化锰和固体二氧化锰之间的变化,而负极利用氢和H2之间的变化。电解液为高浓度硫酸锰。

与传统的固体电极不同,正负电极的反应产物是可溶的(如下式右图所示)。锰氢电池的结构如下图和右图所示。阴极采用微孔碳纤维毡,隔膜采用玻璃纤维膜,阴极采用碳纤维毡阻抗铂碳填充催化剂,电解液为高浓度硫酸锰溶液。在电池中,Mn2不会迁移到负极碳纤维表面,会再次发生水解反应分解碳纤维表面的一层MnO2,而H不会再次还原反应分解负极表面的H2。

静电过程就忽略了。二氧化锰获得电子,并再次被还原以分解可溶性二氧化锰。

硫酸锰在新的返回溶液中分解,H2再次水解,在负极分解氢。陈为用上述电池结构制作了电池(如下图,右图所示),并测试了系统的电化学性能。为了在低电压下增加水溶液负极中O2的问题,陈为将电池电压设定为1.6V,陈为使用1M硫酸锰作为电解质。此时,电池的首次效率为61%,经过十多次循环后,平均库仑效率约为91%。

由于酸性环境下负极中铂催化剂的活性较强,陈为在溶液中重新加入0.05M H2SO4,大大提高了锰氢电池的性能,充电电流增加了三倍(1.6V恒压电池)。只用了85秒就完成了电池,静电电压平台明显提升(50mV左右),一次效率也提高到70%。

在接下来的几个循环中,对于动力电池来说,倍率性能是一个关键指标。右边B为某电池系统(1.6V恒压电池至1mh/cm2)后不同电流密度下Mn-H电池的静电曲线。可以看出,静电电流密度从10mA/cm2降低到50和100mA/cm2后,电池的静电容量没有下降,这与右手c中的情况不同,更重要的是,在电池较慢的情况下,经过10000次循环后,Mn-H电池的容量没有再次下降。

虽然Mn-H电池具有非常好的倍率性能和循环性能,但由于碳纤维电极对电解液的利用效率很低,只有36%左右,所以电池的总能量密度只有19.6Wh/kg。为了解决这个问题,陈为采用纳米结构的碳薄膜作为电极,使4M硫酸锰电解液的利用率提高到74.3%,从而使电池的能量密度提高到139瓦时/千克,体积比能量超过210.6瓦时/升. 同时,陈为还仔细观察到,进一步提高电解液中H2SO4的浓度也能有效提高电池的倍率性能,减少电池时间,改善静电电压平台。但是H2SO4浓度过低可能会带来生锈,这必须从电池结构设计的角度进一步解决。

目前,锰氢电池还面临着一个问题――如何在实验室中由北向南应用?要解决这个问题,首要目标是增加锰氢电池的容量。一种措施是增加负碳纤维毡的厚度和面积。通过这一措施,需要明显增加负负载,但这不会加速锰氢电池的容量下降。例如,通过两次加厚负碳纤维毡,虽然电池的容量增加了两倍,但是在600次循环之后,容量下降到初始容量的96.5%。

另一个措施是不对称正负电极结构设计。从锰氢电池的工作原理来看,负极结构主要起催化剂的作用,不需要储存H2。因此,陈为等人将锰氢电池的设计简化为圆柱形结构。

通过减小负极面积和增加负极面积(如下右图所示),锰氢电池的容量和能量密度显著提高,铂碳催化剂的用量也大大增加。虽然这种设计不会在一定程度上降低电池的倍率性能(增加负反应面积),但并不妨碍电池更好的循环性能。从右图E可以看出,经过1400次循环后,电池的容量维持亲和力仍能超过94.2%,几乎需要满足动力电池的市场需求。

崔屹、陈为等人开发的锰氢电池本质上是由化学储能电池负极和燃料电池负极组成的混合电池。由于可以省略H2负极的质量,降低了电池的重量,利用Mn2 /Mn4的双电子反应,将二氧化锰的理论容量提高到616mAh/g,因此电池的电压平台只有1.3V左右,但仍然达到了较高的比能量。但是目前电池并没有出现一些问题。

首先,阳极和阴极使用的碳纤维毡重量大,润湿性差,降低了电池的比能量。必须使用纳米碳材料制成的薄膜作为电极,这推高了电池的成本。另外,由于电池在电池中时阳极不会产生氢气,所以需要使用气流(如Ar、N2等)。

)将产生的H2放电出电池。在静电过程中,需要不断向电池提供H2。

还有一个隐藏的问题。如果H2没有少量的一氧化碳和二氧化碳(目前H2工业生产中很少的杂质),可能会导致阴极催化剂中毒,影响电池的循环寿命。这些问题都是之前的电池优化必须解决的。

但总的来说,这是一个很有创新性的想法,需要通过更好的优化来有效降低电池的成本,对于大规模储能和电动汽车的推广意义重大。|时时彩票。

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