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Jülich与ORNL合作研发铁-空气电池 电极积聚物可提升电池容量
发布时间:2017-11-21 10:14:00    浏览次数:
关键词:空气电池 电极积聚物 锂离子电池

Jülich与ORNL合作研发铁-空气电池 电极积聚物可提升电池容量


  据外媒报道,铁-空气电池(Iron–air batteries)的能量密度要远高于当前的锂离子电池。此外,其主要构成物“铁”的储量十分富足,该材料的价格也很便宜。为此,于利希研究中心(Forschungszentrum Jülich)也致力于重新研究该铁-空气电池这一理念(上世纪70年代就已提出)。

  由于技术难题难以攻克,自上世纪80年代起,金属-空气电池的研究被弃置了很长一段时间。然而,最近数年来,该领域的研发兴趣越来越大。铁-空气电池的通过铁与氧的反应来获得能量。在反应过程中,铁氧化过程与生锈过程几乎一样。该反应需要周边空气内的氧气参与反应,这样就无需考虑电池的氧气存储问题。由于可节省材料成本,使得研究机构纷纷开始研发铁-空气电池。

  于利希研究中心与美国橡树岭国家实验室(ORNL)已成功观测到电池运行期间铁电极上的积聚物是如何形成的,其观测精度可达纳米级。若欲进一步研发铁-空气电池并达到市场成熟水平,对其充放电反应的深入了解就显得至关重要了,该研究成果已发表在期刊《纳米能源(Nano)》中。

  据估计,铁-空气电池能量密度的理论值在1200 Wh/kg,相较之下,当前锂离子电池的能量密度约为600 Wh/kg,若将电芯外壳的重量纳入考虑,其能量密度将低于350 Wh/kg。


Jülich与ORNL合作研发铁-空气电池 电极积聚物可提升电池容量


  锂-空气电池的最大能量密度将达到11400 Wh/kg,但其技术难度极大、复杂性较高。然而,如果按体积能量密度来比对,铁-空气电池的表现则更好:9700 Wh/l,几乎是当前锂离子电池(2000 Wh/l)体积能量密度的5倍,锂-空气电池的体积能量密度“仅为”6000 Wh/l。对于众多移动设备而言,铁-空气电池的吸引力依然很大,因为体积(空间)要求也成为了移动应用的一项重要参数指标。

  于利希研究中心采用了美国橡树岭国家实验室纳米材料科学中心(Center for Nanophase Materials Sciences)的原位电化学原子力显微镜(in situ electrochemical atomic force microscopes)对铁-空气电池的充放电情况进行观察,并确认氧化铁颗粒(Fe(OH)2)是如何形成于铁电极之上的。

  (电极)积聚物提升电池容量


Jülich与ORNL合作研发铁-空气电池 电极积聚物可提升电池容量


  积聚物并不会降低电池的容量,恰恰相反,纳米多孔层(nanoporous layer)会增大电极的活性表面积(active surface area),在充放电周期后,其电池容量会小幅提升。得益于该研究调查,研究人员首次获得了纳米多孔层增生的清晰脉络图。

  然而,距该产品的市场成熟尚有一段时间。研究人员在实验室内进行了数千次的充放电试验,尽管铁质孤岛电极(isolated electrodes)在运行时并未出现较大的能量损失,但铁-空气电池在采用空气电极作为电池的另一极后,充放电次数却只维持在20-30次。

  该实验结果被划归到高温及高能量密度材料的研究项目范畴内,该项目获得了德国联邦研究教育部(German Federal Ministry of Education and Research)的资金支持。

  未来,美国橡树岭国家实验室与于利希研究中心或将签订合作协议,因为双方自2008年后就加强了在各个科研领域内的研究。

稿件来源: 盖世汽车
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