超級仿生電池誕生!以動物骨骼為靈感開發出納陰極 穩定性和利用率...

2020-12-21 前瞻網

超級仿生電池誕生！以動物骨骼為靈感開發出納陰極 穩定性和利用率大幅提高

 Evelyn Zhang • 2020-12-12 10:00:51　來源：前瞻網　E2463G1

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鋰電池長期以來一直是電子產品背後的「供能之王」。它為從智慧型手機到自動駕駛汽車的所有東西提供動力，但它也存在嚴重的過熱問題，有時還會爆炸。從整體上看，鋰礦開採正變得越來越不可行，對環境也越來越有害。

在過去的十年裡，為了開發一種更安全、更高效的選擇，科學家們一直熱切地致力於開發一種鋰的替代品：鈉電池。但有一個問題，鈉電池的陰極——在電池中攜帶電子的電極——是出了名的不穩定。

基於目前的工藝改進，鈉離子電池或將有望取代鋰離子電池，用於大規模的電能存儲。與鋰離子電池相比，它們有幾個優勢，尤其是由於鈉的廣泛含量。

然而，開發鈉陰極是很困難的，通過這種材料電子可以進入電池。許多候選材料不穩定或不能承受高電壓。

為了找到解決辦法，來自成均館大學、德克薩斯大學奧斯汀分校和布魯克海文國家實驗室的研究人員轉向了自然，他們找到了一種骨骼形式的生物解決方案。近日，他們在AIP出版的《應用物理評論》（Applied Physics Reviews）雜誌上，描述了靈感來自哺乳動物骨頭製成的鈉陰極。

研究人員們表示，通過複製哺乳動物骨骼的多層幾何結構，可以使鈉離子電池的陰極結構更加穩定，同時保持高容量和快速充電率。

「我們相信，自然為解決技術問題提供了一種非常有希望的解決方案，」論文作者之一、成均館大學的化學工程師的Ho Seok Park說。「因此，我們試圖找到能夠解決這些動力學和穩定性限制的理想架構。」

哺乳動物的骨骼結構由內部多孔的海綿狀骨骼組成，它允許骨髓的儲存和運輸，周圍環繞著堅硬緻密的骨骼，在嚴重的壓力下提供了機械和結構的完整性。

示意圖：說明如何結構的哺乳動物的骨頭被翻譯成設計的骨頭靈感的NVP陰極。

按照這種設計架構，該小組創造了一個Na3V2(PO4)3結構的多孔系統，也被稱為NVP。它被一層緻密的還原氧化石墨烯(rGO)外殼包圍。NVP這種鈉正極材料中，鈉離子能夠保持快速的傳輸速度，但缺點是其結構不穩定——尤其是在高壓之下。

這種類似骨頭的裝置，有助於提高系統的結構完整性，減少電化學和機械應力造成的永久性損傷。同時，NVP與還原氧化石墨烯的結合為鈉離子創造了更有利的環境，增強了體系的穩定性。該電池能夠在3.6秒內達到超高的充電速度；根據不同的充電率，電池可以在10000次的充放電後，仍然保持超90%的容量。相比之下，鋰電池通常只能使用400-1200次循環。

儘管有了這些有希望的技術進步，研究人員指出，目前的工作只是一個概念證明，證明鈉陰極啟發哺乳動物的骨頭的可行性。

另外，還需要做更多的工作來實現系統的技術利用。Park表示，有必要對這個設計進行更大規模的綜合，看看它在更實際的應用中如何發揮作用——例如，這項研究的試驗是在122℉的高溫下進行的。

Park還指出:「大規模合成高質量的骨激發NVP，優化骨激發NVP的組成和結構，以及製造和測試具有大面積和高負荷的電極被認為是更實際的應用所需要的。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

參考來源：https://scitechdaily.com/batteries-mimic-multilayer-geometry-of-mammal-bones-for-structural-stability/

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0020805

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0020805

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