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