Jülich與ORNL合作研發(fā)鐵-空氣電池 電極積聚物可提升電池容量

時間:2017-11-20 16:38來源:蓋世汽車 作者:李文龍
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  據(jù)外媒報道,鐵-空氣電池(Iron–air batteries)的能量密度要遠(yuǎn)高于當(dāng)前的鋰離子電池。此外,其主要構(gòu)成物“鐵”的儲量十分富足,該材料的價格也很便宜。為此,于利希研究中心(Forschungszentrum Jülich)也致力于重新研究該鐵-空氣電池這一理念(上世紀(jì)70年代就已提出)。
 
  由于技術(shù)難題難以攻克,自上世紀(jì)80年代起,金屬-空氣電池的研究被棄置了很長一段時間。然而,最近數(shù)年來,該領(lǐng)域的研發(fā)興趣越來越大。鐵-空氣電池的通過鐵與氧的反應(yīng)來獲得能量。在反應(yīng)過程中,鐵氧化過程與生銹過程幾乎一樣。該反應(yīng)需要周邊空氣內(nèi)的氧氣參與反應(yīng),這樣就無需考慮電池的氧氣存儲問題。由于可節(jié)省材料成本,使得研究機(jī)構(gòu)紛紛開始研發(fā)鐵-空氣電池。
 
  于利希研究中心與美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)已成功觀測到電池運行期間鐵電極上的積聚物是如何形成的,其觀測精度可達(dá)納米級。若欲進(jìn)一步研發(fā)鐵-空氣電池并達(dá)到市場成熟水平,對其充放電反應(yīng)的深入了解就顯得至關(guān)重要了,該研究成果已發(fā)表在期刊《納米能源(Nano)》中。
 
  據(jù)估計,鐵-空氣電池能量密度的理論值在1200 Wh/kg,相較之下,當(dāng)前鋰離子電池的能量密度約為600 Wh/kg,若將電芯外殼的重量納入考慮,其能量密度將低于350 Wh/kg。
 

 
  鋰-空氣電池的最大能量密度將達(dá)到11400 Wh/kg,但其技術(shù)難度極大、復(fù)雜性較高。然而,如果按體積能量密度來比對,鐵-空氣電池的表現(xiàn)則更好:9700 Wh/l,幾乎是當(dāng)前鋰離子電池(2000 Wh/l)體積能量密度的5倍,鋰-空氣電池的體積能量密度“僅為”6000 Wh/l。對于眾多移動設(shè)備而言,鐵-空氣電池的吸引力依然很大,因為體積(空間)要求也成為了移動應(yīng)用的一項重要參數(shù)指標(biāo)。
 
  于利希研究中心采用了美國橡樹嶺國家實驗室納米材料科學(xué)中心(Center for Nanophase Materials Sciences)的原位電化學(xué)原子力顯微鏡(in situ electrochemical atomic force microscopes)對鐵-空氣電池的充放電情況進(jìn)行觀察,并確認(rèn)氧化鐵顆粒(Fe(OH)2)是如何形成于鐵電極之上的。
 
(電極)積聚物提升電池容量
 
  積聚物并不會降低電池的容量,恰恰相反,納米多孔層(nanoporous layer)會增大電極的活性表面積(active surface area),在充放電周期后,其電池容量會小幅提升。得益于該研究調(diào)查,研究人員首次獲得了納米多孔層增生的清晰脈絡(luò)圖。
 
  然而,距該產(chǎn)品的市場成熟尚有一段時間。研究人員在實驗室內(nèi)進(jìn)行了數(shù)千次的充放電試驗,盡管鐵質(zhì)孤島電極(isolated electrodes)在運行時并未出現(xiàn)較大的能量損失,但鐵-空氣電池在采用空氣電極作為電池的另一極后,充放電次數(shù)卻只維持在20-30次。
 
  該實驗結(jié)果被劃歸到高溫及高能量密度材料的研究項目范疇內(nèi),該項目獲得了德國聯(lián)邦研究教育部(German Federal Ministry of Education and Research)的資金支持。
  未來,美國橡樹嶺國家實驗室與于利希研究中心或?qū)⒑炗喓献鲄f(xié)議,因為雙方自2008年后就加強(qiáng)了在各個科研領(lǐng)域內(nèi)的研究。(本文圖片選自于利希研究中心官網(wǎng))
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文章標(biāo)簽: 鋰電池 能量密度 鐵空氣電池
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