新電池研究可能會(huì)產(chǎn)生完全由聚合物材料制成的高性能電池

有機(jī)自由基聚合物電池

新電池研究可能會(huì)產(chǎn)生完全由聚合物材料制成的高性能電池。

在過(guò)去的二十年中，鋰離子電池已成為主導(dǎo)的電化學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)。手機(jī)，個(gè)人電子產(chǎn)品，電動(dòng)汽車(EV)和大規(guī)模電網(wǎng)是受益于商用鋰離子電池的高能量容量和良好功率性能的應(yīng)用。

目前的鋰限量

盡管鋰離子電池占據(jù)主導(dǎo)地位，但它們具有一些限制其功能的特性。如果鋰離子電池以較快的速率充電(大于1C，或在一小時(shí)內(nèi)充滿電，則會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題)。大規(guī)模接受電動(dòng)汽車的一個(gè)絆腳石是為電池充電所需的時(shí)間。因此，電池研究人員正在研究可以促進(jìn)更快鋰離子電池充電的替代材料。

嵌入式軟件工程師的機(jī)器學(xué)習(xí)

人工智能長(zhǎng)期以來(lái)一直是開發(fā)人員從事高性能計(jì)算和基于云的系統(tǒng)的工具。人工智能改變了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方式，電子郵件掃描方式，甚至是我們與手機(jī)和設(shè)備交互的方式。雖然AI和機(jī)器學(xué)習(xí)總是感覺像是一個(gè)生活在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)之外的遙遠(yuǎn)工具，但機(jī)器學(xué)習(xí)正在基于微控制器的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，事實(shí)上，它已經(jīng)存在!

在商用鋰離子電池中，陰極由可以存儲(chǔ)帶正電荷的鋰離子的金屬氧化物的組合制成。當(dāng)電池充電時(shí)，這些鋰離子從陰極通過(guò)液體電解質(zhì)轉(zhuǎn)移到由石墨材料制成的電池的陽(yáng)極。在放電時(shí)，鋰離子被轉(zhuǎn)移回陰極，同時(shí)釋放出可用于為器件供電的電子。

有機(jī)自由基聚合物

一種能夠更快地充電鋰離子電池的陰極材料是一類稱為有機(jī)自由基聚合物的聚合物。由于附著于聚合物鏈的側(cè)鏈基團(tuán)的可逆還原 - 氧化(氧化還原)反應(yīng)，這些分子具有電化學(xué)活性。德克薩斯A&M大學(xué)教授Jodie L. Lutkenhaus博士一直在研究一種完全由聚合物制成的電池，這項(xiàng)工作在德克薩斯A&M新聞發(fā)布中有所描述。

它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)使有機(jī)自由基聚合物非常穩(wěn)定和具有反應(yīng)性。它們?cè)诨鶊F(tuán)上具有單個(gè)電子，并且該未配對(duì)的電子允許在氧化還原反應(yīng)期間在這些聚合物中快速電荷轉(zhuǎn)移。根據(jù)Lutkenhaus的說(shuō)法，這類聚合物的主要吸引力在于反應(yīng)的速度。“這些聚合物非常適合用于電池，因?yàn)樗鼈兛梢员仁謾C(jī)或類似設(shè)備中的任何普通電池更快地充電和放電。這種快速充電可能會(huì)極大地改變現(xiàn)今電動(dòng)汽車的使用方式，”她說(shuō)。由有機(jī)自由基聚合物制成的電池可能以高達(dá)50℃的速率充電，超過(guò)1,000次循環(huán)。

一種衡量運(yùn)輸?shù)男路椒?/p>

有機(jī)基聚合物的還原和氧化反應(yīng)性質(zhì)已知有一段時(shí)間了，使用這一概念的電池最早于2005年開發(fā)。然而，在Lutkenhaus的研究之前，電子和離子通過(guò)聚合物傳輸?shù)拇_切機(jī)制已經(jīng)尚未確定 - 這些反應(yīng)發(fā)生的規(guī)模和速度使得難以可靠地捕獲數(shù)據(jù)。

為了研究這種運(yùn)輸，德克薩斯A&M團(tuán)隊(duì)成員能夠使用專用設(shè)備捕獲非常詳細(xì)的測(cè)量結(jié)果，這是一種帶有耗散監(jiān)測(cè)的電化學(xué)石英晶體微量天平(EQCM-D)。“當(dāng)我們對(duì)聚合物進(jìn)行充電和放電時(shí)，我們實(shí)際上正在對(duì)它進(jìn)行稱重，因此我們確切地知道它的重量甚至低至納克級(jí)精度。該裝置非常靈敏，我們可以測(cè)量進(jìn)出有機(jī)自由基聚合物的離子，“Lutkenhaus解釋道。根據(jù)新聞稿，在此研究之前，共識(shí)是在此過(guò)程中只傳輸陰離子(電子)。然而，EQCM-D結(jié)果表明鋰離子也被運(yùn)輸。此外，離子的行為和傳輸似乎比聚合物本身更依賴于電解質(zhì)。聚合物和電解質(zhì)的相互作用是Lutkenhaus計(jì)劃進(jìn)一步研究的領(lǐng)域，其最終目標(biāo)是完全由聚合物制成的電池。

高級(jí)編輯凱文克萊門斯30多年來(lái)一直在撰寫有關(guān)能源，汽車和交通主題的文章。他擁有材料工程和環(huán)境教育碩士學(xué)位以及機(jī)械工程博士學(xué)位，專攻空氣動(dòng)力學(xué)。他在他的工作室里建立了幾個(gè)關(guān)于電動(dòng)摩托車的世界陸地速度記錄。