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Adv. Funct. Mater. | 基于冰模板系统的碳气凝胶,用于钠离子和钾离子电池,具有分层定制和可持续性等优点

 DT_Carbontech 2022-01-10

图片来源:布里斯托大学

布里斯托尔的研究人员利用可持续来源的纤维素开发了高性能钠离子和钾离子电池。

布里斯托尔复合材料研究所的科学家们开发了一种新型的可控单向冰模板策略,可以定制具有可持续性和大规模可用性的下一代后锂离子电池的电化学性能。相关研究成果以“Ice-Templated, Sustainable Carbon Aerogels with Hierarchically Tailored Channels for Sodium- and Potassium-Ion Batteries”为题在Advanced Functional Materials 上。

当前,对可持续、合乎道德和低成本能源储存的需求正在迅速增加。这在一定程度上是由于发展电池驱动的交通系统(主要是用电动汽车取代汽油和柴油发动机)和手持设备(如手机)推动的。目前,这些技术主要依赖于锂离子电池。

电池有两个电极和一个隔膜,它们之间有电解液的携带电荷。使用锂电池有几个问题,包括设备内部的金属堆积,这可能会导致短路和过热。

锂电池的替代品,比如钠电池和钾电池,在其速率性能和多次使用的能力方面,历来表现不佳。这种较差的性能是由于钠离子和钾离子的尺寸较大,以及它们通过电池中的多孔碳电极的能力。

与这些电池相关的另一个问题是它们在使用寿命结束时不容易处理,因为它们是使用不可持续的材料。另外材料的成本也是一个因素,目前需要寻找更便宜的储存能源。

此外,锂在智利、玻利维亚和阿根廷等国开采。这种采矿具有很大的环境破坏性,而且与之相关的人权记录也很糟糕。

图片来源:布里斯托大学

该工作开发了一些基于冰模板系统的新型碳电极材料。这些材料被称为气凝胶,其中纤维素纳米晶体(纤维素的一种纳米形式)通过生长然后升华的冰晶形成多孔结构。这会在结构内留下可以携带大量钠离子和钾离子的大通道。

这些新型钠离子和钾离子电池的性能已经被证明优于许多其他类似的系统,而且它使用可持续来源的材料——纤维素。通讯作者、布里斯托大学材料科学与工程教授、纤维素基技术的世界领导者Steve Eichhorn说:

“我们被这些新电池的性能惊呆了。该技术在进一步开发和生产更大规模的设备方面具有巨大潜力。”

该论文的第一作者、布里斯托尔复合材料研究所博士生 Jing Wang 说:“我们提出了一种新颖的可控冰模板策略来制造低成本的纤维素纳米晶体/聚环氧乙烷衍生的碳气凝胶,其具有分层定制和垂直排列的通道作为电极材料,可用于很好地调整钠离子和钾离子电池的速率能力和循环稳定性。

得益于前驱体的可再生能力,以及在环境友好的合成过程中成本相对较低的可扩展性,这项工作可以为在不久的将来促进可持续电动汽车和大规模储能电网的大规模应用提供一个有吸引力的途径。”

“根据这些发现,我们现在希望与行业合作,在工业规模上发展这一战略,并探索这种独特的技术是否可以很容易地扩展到其他各种储能系统,如锌离子电池、钙离子电池、铝离子电池和镁离子电池,从而证明了它在下一代能源存储系统中的普遍潜力,”Eichhorn教授说。

文献信息:

https:///10.1002/adfm.202110862

来源:techxplore.com

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