悉尼科技大學(xué)(UTS)與英國曼徹斯特大學(xué)的研究團隊近日宣布開發(fā)出一種新型鋅離子電池,其充放電循環(huán)壽命較傳統(tǒng)鋅離子電池延長50%,有望成為鋰離子電池在儲能領(lǐng)域的更安全、更可持續(xù)替代方案。
電動汽車電池的代表性圖像。 Matti Blume/維基共享資源
鋅離子電池因其低成本、高安全性及環(huán)保特性,被視為大規(guī)模儲能(如電網(wǎng)級太陽能或風(fēng)能存儲)的潛在解決方案。然而,傳統(tǒng)鋅離子電池因內(nèi)部組件在反復(fù)充放電過程中快速退化,導(dǎo)致使用壽命較短。此次研究通過兩項關(guān)鍵技術(shù)突破,使新型鋅離子電池實現(xiàn)5000次充放電循環(huán)后仍保持高容量,顯著提升了其商業(yè)化可行性。
研究團隊在論文中指出,技術(shù)突破的核心在于兩項創(chuàng)新。其一為二維(2D)超晶格材料的應(yīng)用。該材料由多層氧化錳(一種常見電池過渡金屬氧化物)與石墨烯(超薄碳片)構(gòu)成,通過原子級厚度的“三明治”結(jié)構(gòu)形成超晶格。其二為對“楊-特勒效應(yīng)”(Jahn-Teller Effect)的協(xié)同利用。這一量子現(xiàn)象導(dǎo)致特定原子在特定環(huán)境下發(fā)生形變,形成原子層面的應(yīng)力釋放機制。研究團隊通過在材料結(jié)構(gòu)中引入該效應(yīng),使電池在鋅離子反復(fù)插入與移除過程中能夠承受應(yīng)力,避免結(jié)構(gòu)斷裂。
“這種設(shè)計相當(dāng)于為電池賦予了‘靈活骨骼’,使其在充放電過程中能夠彎曲而非斷裂。”研究團隊解釋稱。通過上述創(chuàng)新,新型鋅離子電池的陰極材料穩(wěn)定性顯著提升,從而延長了整體使用壽命。
此外,該電池采用水基電解質(zhì)、低溫制造工藝及無毒材料,簡化了生產(chǎn)流程并降低了環(huán)境影響。其安全性也優(yōu)于鋰離子電池——鋰離子電池因易燃性存在安全隱患,而鋅離子電池在高溫或過充條件下不易起火。
研究團隊強調(diào):“我們的方法通過協(xié)同利用楊-特勒效應(yīng)緩解電極材料應(yīng)力,為延長可充電電池壽命提供了有效策略。”最終成果是一種低成本、高性能且耐用的水系鋅離子電池,其安全性顯著高于依賴鈷、鋰等稀缺金屬的鋰離子電池。
從應(yīng)用前景看,該技術(shù)有望推動電網(wǎng)級可再生能源儲能系統(tǒng)的普及。由于鋅資源豐富且價格低廉,新型電池在成本效益上亦具備優(yōu)勢。
“這項研究為二維材料的應(yīng)變工程開辟了新方向!盪TS主要作者兼通訊作者王國秀教授表示。目前,研究團隊正與產(chǎn)業(yè)界合作推進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化,目標(biāo)在未來三年內(nèi)實現(xiàn)小規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。
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