納米電池

納米電池

納米即10^-9米,納米電池即用納米材料(如納米MnO2,LiMn2O4,Ni(OH)2等)製作的電池,納米材料具有特殊的微觀結構和物理化學性能(如量子尺寸效應,表面效應和隧道量子效應等。目前國內技術成熟的納米電池是納米活性碳纖維電池。 納米電池由正負電極、電解質、聚合物隔離膜組成,納米電池的負極材料是納米化的天然石墨,納米電池的正極是納米化材料,採用由PP和PE複合的多層微孔膜作為隔離膜,並在電解質中加入導電的納米碳纖維。

主要用途

主要用於電動汽車,電動機車,電動助力車上。該種電池可充電循環1000次,連續使用達10年左右一次充電只需20分鐘左右,平路行程達400km,重量在128kg,已經超越美日等國的電池汽車水平。它們生產的鎳氫電池充電約需6-8小時平路行程300km。

基本組成

納米電池由正負電極、電解質、聚合物隔離膜組成,納米電池的負極材料是納米化的天然石墨,納米電池的正極是納米化材料,採用由PP和PE複合的多層微孔膜作為隔離膜,並在電解質中加入導電的納米碳纖維。電池的正極,由鋁箔與電池正極連線,中間是聚合物的隔膜,它把正極與負極隔開,由納米石墨組成的電池負極,由銅箔與電池的負極連線。電池的上下端之間是電池的電解質,電池由金屬外殼密閉封裝。

充放電原理

納米電池在充電時,正極中的Li+通過聚合物隔膜向負極遷移;在放電過程中,負極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。利用嵌入/脫嵌過程,實現電池的反覆充放電。採用的是卷繞式,製成14500、18650、26650等型電池。用鋁箔收集正極電流並引出,用銅箔收集負極電流並引出。

LINGTH凌世集團公司研發的納米電池通過特製的大球磨機及特殊工藝,將電池正極材料、負極材料納米化,使電極材料的粉末粒度從5微米降至150納米左右,降低了電池材料的體積,提高電池密度,電池的振實密度由1.2g/cm提高到2.4g/cm,從而提高電池的容量,並加入導電性良好的納米碳纖維,提高電池的充放電性能,使電池容量提高20%左右,充放電性能提高30%.

最新技術

美國科學家研製出了擁有三維納米結構電極的電池,充放電可在幾秒內完成,而且快速充放電不會影響電池的能量密度。最新成果有望徹底改變電池的設計方法。

伊利諾伊大學厄巴納—香檳分校材料科學和工程教授保爾-保恩同碩士生於新迪(音譯)、博士後研究員張惠剛(音譯)一起,將一個薄膜包裹成三維納米結構的電極,讓其能獲得較大的有效容積和電流。演示結果表明,擁有這種電極的電池能在幾秒鐘內快速地充電和放電,效率是塊狀電極電池的100倍。這意味著,當將其用於電動汽車內時,其充電所需的時間可能和在加油站加油一樣;更重要的是,快速充放電對電池的能量密度(在一定空間或質量物質中儲存能量的大小,要解決的是電動車充一次電能跑多遠的問題)毫無影響。

保恩表示:“這種能快速充放電的新電池除了能在汽車領域大展拳腳外,也可以用於醫藥設備、雷射器內和軍事領域。”

科學家們首先將細小的圓球塗在一個表面上,隨後將圓球緊緊包裹成一個格線狀的結構,圓球之間的空隙和圓球四周都填滿金屬;接著將圓球熔化,得到一個類似海綿的三維支架;然後用電解法對三維支架的表面進行蝕刻,從而讓海綿結構內的微孔增大,製造出了一個開放的框架結構,最後再將活性物質薄膜塗在該框架上。

研究人員指出:“結果,我們得到了一個性能優異的電極結構,其相互之間的聯繫很少,因此鋰離子能快速移動;活性物質薄膜也使鋰離子能很快擴散;同時,金屬材料讓其導電性更好。”

保恩說:“最新研究與任何特定的電池類型無關,而是一種新的電池設計範式用三維結構來增強電池的性能。”

這項研究獲得了美國陸軍研究實驗室和美國能源部的支持。

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