美国科罗拉多大学化学工程师安库尔·古普塔发现了描述超级电容器中离子运动的“缺失环节”，修正了已存在近200年的基尔霍夫定律，从而让科学家们能够模拟和预测离子在多孔材料中的运动，有望开发出让手机笔记本电脑1分钟充满电，电动汽车10分钟充满电的超级电容器。 平均来说，超级电容器充放电速度可以比锂离子电池快10倍，但储存能量也只有锂离子电池的1/10，从而让电容器取代商业锂离子电池变得完全不可行。这是由1845年发现的基尔霍夫定律决定的，这个定律主要用于描述电流和电压，但它只适用于单个孔隙中的电子运动，无法准确预测离子在多孔材料中的行为。 古普塔发现，离子在孔隙交叉处的移动与基尔霍夫定律所描述的不同，它既受电场影响，也会受到扩散的影响。古普塔因而通过应用化学工程技术，开发了一种新模型，在不影响精度的情况下，将数值计算速度提高了6个数量级，可以在几分钟内模拟和预测离子在一个由数千个相互连通的孔隙组成的复杂网络中的运动。这意味着科学家们可以更有效地预测离子运动，开发出具有更高储能潜力的超级电容器。 简单来说，就是古普塔解决了基尔霍夫定律的局限，发现了离子在多孔材料中的运动方式，从而为开发能存储更多能量的超级电容器奠定了基础，科学家们有望借此开发出储能媲美锂离子电池，但充放电速度和循环寿命都远超锂离子电池的新的储能设备。 如果这一理论得到实际应用，不仅可能彻底改变手机、笔记本、电动汽车的储能方式，对正在蓬勃发展的人工智能和机器人领域也将产生重大影响，而它最重要的影响可能还在电网上，因为这种极为高效的充放电储能，可以快速响应电网的削峰填谷要求，让电网变得更加稳定。 这项研究发表在5月24日《美国国家科学院院刊》上。 标题：A network model to predict ionic transport in porous materials 链接： https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2401656121 出处：头条号 @徐德文科学频道 read more

在锂电池加入超薄的镍箔 ” 当几乎所有的电动车都能10分钟充满75%，还会存在里程焦虑吗？ 眼下就有一种新型的充电技术，可以实现10分钟超级快充。 最近，来自美国宾夕法尼亚州立大学王朝阳（Chao Yang Wang）教授联合多位研究人员，在锂离子电池快充技术上获得一项重大突破。 据他们描述，这种快速充电技术适用于大多数能量密集的电池，使电动汽车电池充电时间缩短到10分钟。即便将电动汽车电池从150千瓦时缩小到50千瓦时，司机也不会有里程焦虑。 来源：Nature 这项技术突破以“Fast charging of energy-dense lithium-ion batteries”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。 这种突破性的技术，更是得到了美国能源部、美国国防部、美国空军和威廉·迪芬德弗基金会的青睐。 01  在锂电池中加镍箔 目前提升电池快充能力的主流手段是电池材料改性，如提升电解液电导率、增加石墨材料比表面积等，这些都是在牺牲电池在正常工作条件下的寿命和安全性为代价，但这些手段大多都效果不佳。 而这项最新技术的核心，主要在于对电池内部的热量进行调节。 电池在运行时需要热起来但却不能太热，一直以来，电池的温度基本都是依赖外部附加的庞大的加热和冷却系统来控制，这种系统反应非常缓慢，还会浪费大量能源。 为此研究人员开发了一种新的电池结构，除了阳极、电解质和阴极外，还添加了超薄的镍箔作为第四种成分。 作为一种刺激物质，而镍箔可以自我调节电池的温度和反应性，这使得任何电动汽车电池都可以快速充电10分钟。 其实早在6年前，王朝阳及其同事就开始在锂离子电池中添加镍箔来加热，帮助电池在严寒环境中有更好的续航。 不过有个问题是，当前所有车用锂电池在高功率充电下都无法避免析锂现象的发生，这也极大缩短了电池寿命并可能造成安全隐患。 王朝阳及其团队为了应对这个问题，采用两种盐性（0.6 M LiFSI +0.6 M LiPF6）的电解液替换了传统的电解液体系（1M LiPF6）。 相比于单一的LiPF6溶液，LiFSI溶液有更高的锂离子迁移数（0.56 vs. 0.38），在同样的倍率下，LiFSI还可以降低电解液浓差极化，提高电极厚度方向嵌锂反应的均匀性，这样不仅提高了电解液的热稳定性，又极大降低了析锂风险。 来源：Nature 结合此前王朝阳团队先前研发的速热以及非对称温度热调控（Asymmetric Temperature Modulation, ATM）的方法（即充电前加热至高温（~60oC）快速充电，室温放电）。 可以实现了高能量密度锂离子电池（265 Wh/kg）的快速充电（10分钟充电~75% ），并能够稳定循环高达2000次以上，也创造了动力电池极速充电的世界记录。 而且这些创新首次揭示了高比能动力电池极速充电只需要空气冷却，大大提高了电池系统的集成度、可靠性和安全性。 研究人员表示，这项工作与目前声称充电 10 分钟后可以行驶100或150英里的电车完全不同。 通常情况下，这些电车的续航可以达到500英里，甚至更多，所以充电10分钟行驶100英里，只能算是冲到25%，这种全新的技术，直接将目前的充电水平提高三倍。 02  王朝阳是谁？ 王朝阳，华人科学家，公开资料显示，1984年获浙大热物理工程学系（现能源系）内燃动力工程专业学士学位，1987年获浙大热物理工程学系（现能源系）工程热物理专业硕士学位。 如今，王朝阳是美国国家发明家科学院院士，宾夕法尼亚州立大学William E. Diefenderfer 讲席教授，并且还兼任电池与储能技术研究院院长，美国机械工程师学会（ASME）会士，电化学学会（ECS）电池分会执行委员等一大堆名誉头衔。 […] read more

加州大学圣地亚哥分校 (UCSD)的工程团队近日研发了一种新型锂离子电池，不仅在严寒和酷热的温度下表现良好，同时仍能储存大量能量。研究人员表示之所以具备如此好的特性，主要归功于全新开发的电解质。这种电解质不仅能在很宽的温度范围内用途广泛且坚固耐用，而且兼容高能阳极和阴极。 这项成果于 7 月 4 日发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS) 上，基于这项技术开发的车用电池即使在寒冷气候下也能让电动汽车行驶更远。加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程学教授、该研究的资深作者郑晨（Zheng Chen，音译）说，它们还可以减少对冷却系统的需求，以防止车辆的电池组在炎热气候下过热。 Chen 解释说：“如果你需要在三位数（华氏）的高温条件下开车，那么对于汽车电池来说是一个重大挑战。在电动汽车中，电池组通常位于底盘，更靠近这些炎热的道路。此外，电池在运行过程中会因电流通过而升温。如果电池不能承受这种高温预热，它们的性能将迅速下降”。 在测试中，概念验证电池在 -40°C 和 50°C（-40 和 122°F）下分别保留了 87.5% 和 115.9% 的能量容量。在这些温度下，它们还分别具有 98.2% 和 98.7% 的高库仑效率，这意味着电池在停止工作之前可以进行更多的充电和放电循环。 由于其独特的电解质，Chen 和同事开发的电池既耐寒又耐热。它由二丁醚与锂盐混合而成的液体溶液制成。二丁基醚的一个特点是其分子与锂离子的结合较弱。换句话说，当电池运行时，电解质分子很容易释放锂离子。研究人员在之前的一项研究中发现，这种微弱的分子相互作用可以提高电池在零下温度下的性能。另外，二丁醚很容易吸收热量，因为它在高温下保持液态（沸点为 141 °C 或 286 °F）。 这种电解质的另一个特别之处在于它与锂硫电池兼容，锂硫电池是一种可充电电池，其阳极由锂金属制成，阴极由硫制成。锂硫电池是下一代电池技术的重要组成部分，因为它们承诺更高的能量密度和更低的成本。它们每公斤存储的能量是当今锂离子电池的两倍——这可以使电动汽车的续航里程增加一倍，而不会增加电池组的重量。此外，与传统锂离子电池阴极中使用的钴相比，硫的来源更丰富且问题更少。 但锂硫电池也存在问题。阴极和阳极都具有超强反应性。硫正极非常活泼，以至于它们在电池运行期间会溶解。这个问题在高温下会变得更糟。锂金属阳极容易形成称为枝晶的针状结构，可以刺穿电池的某些部分，导致电池短路。结果，锂硫电池只能持续数十次循环。 Chen 说：“如果你想要一个能量密度高的电池，你通常需要使用非常苛刻、复杂的化学物质。高能量意味着更多的反应正在发生，这意味着稳定性更低，降解更多。制造稳定的高能电池本身就是一项艰巨的任务——试图在很宽的温度范围内做到这一点更具挑战性”。 编译：cnBeta.com read more

近年来，我国新能源汽车和国产智能手机的发展取得了许多令世人瞩目的成就，可谓是进入了高质量发展的快车道。 新能源汽车方面，截止2021年，我国新能源汽车销量连续7年位居全球第一。据中国汽车工业协会数据显示，我国新能源汽车保有量约580万辆，约占全球新能源汽车总量的50%。已经将合资车和外资车远远甩在了身后，实现了弯道超车。 国产智能手机方面，经过了十年的不懈努力，国产智能手机品牌全面崛起。无论是从质量、性能、价格等方面都有了质的飞跃，可以与苹果、三星等外国品牌一较高下。据CANALYS数据显示，2022年第一季度国内手机市场销量排名前五的手机品牌中，国产手机已经占据四席，国产手机品牌市场占有率达80%，而且荣耀、OPPO已经反超苹果手机，占据了销量榜的冠亚军位置。 这些成绩的取得，靠的不是一时的心血来潮，也不是跟风凑热闹，而是扎扎实实的技术创新与进步的结果。近期，我国的电池技术又接连取得突破，或将从根源上解决长期被人们所诟病的新能源汽车和智能手机的续航焦虑问题。 什么是续航焦虑？ 续航焦虑从本质上来说就是充电焦虑，无论是新能源汽车还是智能手机，都需要在使用一定时间后为其充电。但是，就目前的充电技术来说，还远远达不到人们的使用需求。 比如新能源电动汽车，一旦没电，就需要到处去找充电桩，即使找到充电桩，可能还需要排队充电，好不容易排到自己了，也需要再等上大几十分钟甚至几个小时才能把电充满。这样一番折腾下来，可能你已经焦躁不安，身心疲惫。 再比如智能手机，其实也和新能源电动汽车类似，给手机充一次电也需要等上几十分钟才能充满。如果你有手机依赖症，那这几十分钟可能会让你心情沮丧，度日如年。 那如何解决续航焦虑的问题呢？笔者认为有两种方法，一是寻找性能更优的充电新材料；二是突破快充技术的瓶颈。 功夫不负有心人。近期我国在电池技术领域又传来了三个好消息，终于实现新的突破，下面赶快来分享给大家。 01 宁德时代发布新一代钠离子电池 据悉，这款钠离子电池电芯单体能量密度可达160Wh/kg；常温下充电15分钟，电量可达80%以上；而在零下20°C低温的环境下，仍然有90%以上的放电保持率。 在正极材料方面，宁德时代采用了克容量较高的普鲁士白材料，对材料体相结构进行电荷重排，解决了普鲁士白在循环过程中容量快速衰减的核心难题；在负极材料方面，宁德时代开发了具有独特孔隙结构的硬碳材料，其具有克容量高、易脱嵌、优循环的特性。 与锂离子电池相比，钠离子电池具有四大优势： 1、储量丰富。 锂在地壳中的含量只有0.0065%，而钠约为2.36%，钠的储量是锂的360倍。 2、成本低廉。 ①磷酸铁锂正极约6~8万/吨；而钠离子化合物价格稳定且低廉，仅为约250元/吨。 ②钠离子电池不需要使用钴、镍等稀有贵金属，且钠离子不与铝形成合金，还可使用比铜箔更便宜的铝箔做集流体，材料成本会比锂离子电池降低8%左右。 3、能量密度媲美磷酸铁锂。 由于钠离子电池无过放电特性，允许钠离子电池放电到零伏。钠离子电池能量密度大于100Wh/kg，可与磷酸铁锂电池相媲美。 4、安全性高。 钠离子电池的电化学性能稳定，具有较高的安全性。通过针刺、挤压、过充、过放等测试，能做到不起火不爆炸。另外，在运输环节中，可以实现零伏运输，有效地降低了运输风险。 另外，因钠离子电池在制造工艺方面，可以实现与锂离子电池生产设备、工艺的兼容，生产线可进行快速切换，实现产能快速布局。目前，宁德时代已启动钠离子电池产业化布局，2023年将形成基本产业链。 02 国轩高科研发的半固态电池将实现装车 在国轩高科第十一届科技大会上，工研院副院长张宏立表示，360Wh/kg能量密度的三元半固态电池将在今年实现量产。搭载半固态电池的车型，电池容量可达160kWh，续航将突破1000km，零百加速仅3.9s。 那什么是半固态电池呢？ 半固态电池是指一侧电极不含液体电解质，另一侧电极含有液态电解质的电池。或单体中固体电解质质量或体积占单体中电解质总质量或总体积之比的一半。 半固态电池相比与传统的液态锂离子电池有以下三大优势： 1、能量密度高。 液态锂离子电池的能量密度上限被公认为300Wh/kg，即便是300Wh/kg也只是理论值。事实上，国产的纯电动车，主流的磷酸铁锂电池单体能量密度一般在160Wh/kg左右，比亚迪第二代刀片电池单体能量密度为180Wh/kg，三元锂电池的单体能量密度在200Wh/kg左右。 磷酸铁锂电池 而固态电池的能量密度很容易做到300~400wh/kg以上，理论能量密度更高达700Wh/kg，是锂电池的2倍。 2、体积小。 传统锂电池中，仅隔膜和电解液就占据了近40%的体积和25%的质量。而如果换作半固态电解质，正负极之间的距离可以缩短到几到十几个微米，这样电池的厚度就能大幅度降低，显得轻薄小巧。 3、柔性化。 半固态电池使用脆性的陶瓷材料，即便厚度薄到毫米级以下后还是可以弯曲的，材料柔性好。另外，半固态电池的轻薄化也使得柔性程度提高，因此，使用适当的材料封装后，可以经受几百到几千次的弯曲而做到性能基本不衰减。 陶瓷材料 此次国轩高科的半固态电池单体能量密度可达到磷酸铁锂电池的2.25倍，是比亚迪刀片电池的2倍，比三元锂电池主流产品高出80%左右。这意味着，在同等电池包体积下，电池续航可以延长一倍左右。并且，电池系统的性能更强，加速更快。 刀片电池 03 国产手机品牌realme实现150W光速秒充，打破充电技术天花板 除了寻找性能更优的充电新材料外，我国的科研人员也从未放弃对快（闪）充技术的探索。这不，从国产手机品牌realme传来好消息，在近期发布的真我GT Neo3手机上，其搭载的闪充技术又有新突破，实现了150W光速秒充，可以让手机5分钟充电50%，15分钟即可完全充满。这一技术一举打破了充电技术的天花板，做到了世界第 一。 看到这里，可能有朋友会问，一会儿快充，一会儿闪充，那到底有什么区别呢？ 说到手机快速充电技术，目前市场上主流的快充技术有两种：一种是以华为、小米为代表的手机厂商使用的快充技术，一种是以OPPO、vivo、realme为代表的手机厂商使用的闪充技术。 先说快充，是通过提升充电电压，适当降低充电电流来加快充电速度。优点是电流低，兼容性强，对手机充电器、数据线没有太高要求。缺点是高电压会产生高热量，导致手机发热，对电池寿命影响明显。 再说闪充，与快充相反，是通过降低充电电压，提高充电电流来加快充电速度。优点是热量集中在充电头上，手机发热较轻，安全性较高。而缺点是，因为电流较大，需要特制的充电器与数据线，成本较高。但这一点也不用担心，因为购机时，一般都会标配充电器和数据线，不需要像苹果手机那样再去另外花钱买充电器。 这里建议大家认清楚快充和闪充的区别，充电器尽量不要混用，否则有可能导致手机使用寿命缩短和一些不必要的安全隐患。 GT Neo3搭载了定制的南芯半导体泵快充芯片。采用了全新的4：2大功率充电架构、双电芯串联结构设计以及Battery Sense电芯电压检测技术，以更低损耗、更低电阻实现150W大功率闪充，同时采用温控技术，在充电时可以将温度控制在43℃以下。 […] read more

电动汽车的销量增长速度比预期的快很多，这引发了电动汽车电池研发的空前盛况，电池技术日新月异，可是无论电池技术多么的先进，电池的衰减都不可避免。 最近，科学家对锂离子电池充放电循环过程中导致的衰减又有了新的发现，一个既简单合理但又非常难以确定的衰减原因在科学家努力了很长时间以后终于被发现了，这进一步加深了对锂离子电池循环寿命的理解，为设计出更好的寿命更长的锂离子电池做出重要贡献。 影响锂离子电池循环寿命的因素很多：充电次数、放电深度、过充、过放、过冷、过热、电极材料、电解液等等。 其中充放电过程中，锂离子在电池正负极材料的嵌入与脱嵌都会对电极材料产生机械力，电极材料的膨胀与收缩次数的增多，导致电极材料出现裂纹，而这正是电池性能急速下降的一个重要的原因。 这也是学术界普遍的共识，机械力应变会影响电池的寿命。 在科技还不如现在那么发达的以前，想观察电池的充放电循环导致机械应变很困难，但是科学家还是有办法，那就是用手拆，这是一个艰巨的过程，对不同的充放次数分别进行拆解再观察，看到了电池随着充放次数的增加，电极材料逐渐出现裂纹。 随着科技的发展，检测手段的进步，显微镜的应用使得科学家能更清楚地观察到电极裂纹的产生大概是在进行了多少次充放电循环后开始发生的，但是依然还是使用手拆的方式将电池进行拆解再用显微镜观察。 通过手拆的方式来观察电池，会破坏电池的结构，因此，科学家仅仅只能确认电极的裂纹会影响电池的寿命，无法进一步知道这种裂纹对电池的其余部分产生其他什么样的影响。 电池充放次数的增多会加剧衰减的过程，科学家相信裂纹的产生肯定会引发一系列的连锁反应，只是苦于检测手段的落后，一直无法得知是什么反应。 随着扫描透射电镜高分辨率X射线技术的发展，对电池充放过程产生的机械应变的了解也越来越清晰，科学家迫切的需要观察到完整的电池进行充放电后，电池内部发生了什么变化，即进行电池原位观察。 可喜的是，现在的技术已经可以做到这点了。 加拿大萨斯喀彻温大学的研究人员另辟蹊径，使用同步加速器设施的生物成像和插入设备光束线（BMIT）设施对完整的电池充放过程进行CT扫描，观察到了裂纹产生后的连锁反应，这个反应很合理，但是一直都无法确认，第一次被这个科研团队发现了。 他们用三元锂电池来进行研究，三个三元锂电池的充放电循环次数不同，分别是3887次、3675次和1550次，同时用新的三元锂电池来做对照。 当对这些电池进行原位CT扫描后，他们发现随着电池的充放循环次数增多，电池中的微裂纹越来越严重，而电池中的电解液则被吸入到裂纹之间的空隙中，这导致了电池内部电解液的减少。 电解液的消耗会导致严重的问题，因为电池的电解液不足，电池可能会立即停止工作。 这解释了为什么之前观察到从裂纹开始产生的循环数开始，电池的衰减在急剧的发生。由于之前的研究是使用手拆的方式进行观察，电池拆解后结构被破坏，即使看到了裂纹中有电解液，也无法得知是不是由于拆解污染造成的。 可能有人会说，这不是很容易理解么？裂纹有空隙，进电解液很正常。不用说，科学家也知道。但是科学是讲究证据的，即使很合理，没有真正观察到就无法下结论。 这个发现为设计寿命更长的电池迈出了重要的一步。目前他们的研究结果发表了在学术期刊《Journal of the Electrochemical Society》上。 作者为中国科学院博士，美国藤校研究员，科学技术控，接触一线科技研发，乐于分享，欢迎关注科技酷探。 出处：见配图水印 read more