2018年8月1日星期三

铌钨氧化物锂电池负极新材料,助力未来智能交通

据报道,杭州亚运会期间的沪杭智能高速公路交通将采用目前国际上最先进的无人智能交通系统,基于此,我们可以想象以下基于5G技术、北斗卫星导航和无线快速充电技术的未来交通的场景:

未来智能交通想象图
未来智能交通想象图

你坐在你的无人车里,看着显示屏型车窗上播放的最新大片,根本没有感觉到你的智能车已经在智能高速上行驶了4个多小时,你的智能车正在接受卫星导航信号,根据道路实时交通状况不断匀速转换车道,并且已经在连续和间断无线快速充电后到达目的地,并且在提醒你车辆已经支付了高速通行费、充电费、智能导航信息中心的服务费后驶出高速路,你的车辆提醒睡梦中的你是否切换为白天模式并有否兴趣自己驾驶一会,并且看看你所到达目的地的城市风景,并且顺便确认下一个即将到达的餐厅是否是你属意的口味,当然价格表和菜单已经在显示屏上啦。

你不用怀疑,这就是2030年你在错过了高速列车后可以选择的交通方式!

未来共享交通图片

当然这样的交通方式依托核心关键技术之一就是快速无线充电电池!为了这个梦想,人类近年来在新能源领域,尤其是车用电池大功率、高续航能力、快速充电、长寿命和足够稳定的安全性等方面投入了极大的人力物力进行研究,力图不断取得突破,在目前锂电池技术上不断拓展,一边使目前常见的新能源汽车真正有实质性突破并引领未来智能交通。

快速充电电池图片

我们知道,和传统电池比较,锂离子电池由于开路电压高、能量密度大、循环性能好等优点得到日益广泛的应用。目前商业化使用的负极材料大多为石墨类负极材料,有很好的循环性能,但较低的理论容量(372mAh/g)逐渐不能满足人们对高能量密度电池的需求。因此开发高容量负极材料已成为当前的研究热点,具有潜在实用价值的负极材料,主要包括合金反应、转化反应材料以及钛基材料,如合金材料硅、锡、钨、铌和过渡金属氧化物等。

快速充电电池发展历程和前瞻

锂离子电池的负极材料主要作为储锂的主体,在充放电过程中实现锂离子的嵌入和脱出。石墨电位0.1V vs Li+/Li,与电解质形成在界面形成一层膜,并且容易形成锂支晶,但是石墨由于层状结构,锂离子嵌入嵌出过程引起较大形变(10.3%),导致循环性能不足Li+在石墨中的离子迁移速率较低,导致充放电较慢,也因此现在一般使用石墨作为负极,容量较低,首次充放电效率低,有机溶剂共嵌入等不足和缺陷。所以科学家和技术人员一直在孜孜以求地开发其他高容量的非碳负极材料。

动力电池发展现状图片

最新的研究表明,电池充电的速度部分取决于正电粒子(称为锂离子)向负电极移动的速度,正电粒子之后储存在负电极处。限制我们制造出快速充电的“超级”电池的一大因素便是锂离子在陶瓷介质中的移动速度。一种可能的解决方案是通过使用纳米粒子来缩小每种物质材料。但是纳米粒子的造价非常昂贵并且制作工艺复杂。因此,科学家们一直在寻找替代性材料来规避这一问题。

锂离子电池负极材料工作原理

最近新发现的一组材料可以实现电池快速充电,提高智能手机在几分钟内完全充电的可能性,并加速了电动汽车和太阳能等主要清洁科技(clean technologies,环保科技)的投入应用。剑桥大学的研究人员发现的通过被称作是“铌钨氧化物”的材料,锂离子可以实现超高速移动,意味着可以实现电池快速充电。

铌钨氧化物纳米棒晶体

当然铌钨氧化物并不是常见的钨的氧化物和钨酸盐,其合成和工业化生产也又不晓得难度,较目前应用较为广泛的纯钨与氧化钨、钨酸盐、偏钨酸盐、各类稀土掺杂钨酸盐,以及各类纳米级钨制品材料,根据差异参阅的国内外专利文件,我们可以得知,掺铌纳米氧化钨的制备方法较为特殊而困难......

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