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使用可扩展阴极和安全的甘醇二甲醚基电解质实现可持续的锂硫电池
摘要：研究粘稠的甘醇二甲醚溶剂可能有助于寻找安全的电解液以促进锂硫 (Li-S) 电池的应用。因此，本文对使用不易燃的四乙二醇二甲醚添加低粘度 1,3-二氧戊环 (DOL) 的电解液进行了彻底研究，以实现可持续的 Li-S 电池。该电解质的特点是低可燃性、约 200°C 的热稳定性、25°C 时离子电导率超过 10 − 3 S cm − 1、Li + 迁移数约为 0.5、电化学稳定窗口从 0 至约 4.4 V vs Li + /Li，Li 剥离沉积过电位为 ∼ 0.02 V。DOL 含量从 5 wt % 逐渐增加到 15 wt % 会提高 Li + 运动的活化能，降低迁移数，稍微限制阳极稳定性，并降低 Li/电解质电阻。该电解质用于 Li − S 电池，其复合材料由硫和多壁碳纳米管以 90:10 的重量比混合而成，利用了优化的集流体。对阴极的结构、热行为和形貌进行了初步研究，并在使用标准电解质的电池中使用。该电池可进行超过 200 次循环，硫负载增加至 5.2 mg cm − 2，电解质/硫 (E/S) 比降低至 6 μ L mg − 1 。随后将上述硫阴极和基于甘醇二甲醚的电解质组合成安全的 Li − S 电池，其循环寿命和输出容量与研究浓度范围内的 DOL 含量相关。关键词：Li − S 电池、甘醇二甲醚电解质、低可燃性、MWCNT、集电器、E/S 比
提高电动汽车能量密度的全新三合一方法...
图 2a：极耳冷却测试设置（左）和热成像结果（右）。除了热成像测试外，伦敦帝国理工学院还研究了极耳冷却性能，其研究得出结论，极耳冷却可延长软包电池的使用寿命。虽然这项研究还提出，与不进行任何电池修改的底部冷却相比，极耳冷却并不是最佳的冷却解决方案，但已经进行了模拟并证明，与表面冷却相比，改变极耳部分和集电器厚度可以实现类似或更好的冷却性能。塞拉尼斯公司先进移动卓越中心的工程师与法国 CEA 研究所的热管理模拟部门合作，进行了一项全面的数值研究，旨在实现极耳冷却电池和底部冷却电池的类似冷却行为。底部冷却是当今软包电池的参考，在最新的车辆中可以看到，这些车辆实现了市场上最快的充电速度，例如保时捷 Taycan 或现代 E-GMP 汽车。图 3a 中的图表表示底部冷却电池在 2C 恒定速率下充满电时的参考情况的温升。电池为袋装形式，长 350 毫米，厚 10 毫米，高 100 毫米。边界条件是充电开始时温度为 25°C，电池除极耳所在位置外所有表面均无对流，热管理系统确保温度恒定
具有高机械和电化学性能的准固体聚合物电解质结构电池
基于电池总重量。根据报告的数据计算，Chang 研究小组通过使用内部铆钉实现了 131 Wh kg 1 （包括电池总重量）和 9.6 GPa 的弯曲模量。13然而，制造过程变得更加复杂。其他研究分别实现了 12.8 GPa 21 和 5.7 GPa 22 的拉伸模量，比能分别为 181.5 和 159 Wh kg 1，但仅包括活性电极材料的质量。如果包含其他组件（例如集电器、隔膜、电解质和包装），如此高的比能将显著下降（例如，40% – 60%）。在这项工作中，我们提出了一种准固体聚合物基电解质（QSPE），它具有适用于结构电池的良好结构和电化学性能。它由三官能丙烯酸酯单体和双盐电解质混合物组成，可在55°C的低温下进行热原位聚合。聚合后的电解质具有1.2 mS cm-1的良好离子电导率、176 MPa的弯曲模量和2.7 MPa的强度。因此，它可以有效地将负载从一层转移到另一层，而不会显著损害离子传输（图1A）。此外，这种电解质与NMC532正极和石墨负极都很稳定，因为我们在500次循环中实现了稳定循环，容量保持率为91%。采用这种QSPE和碳纤维织物/环氧复合材料封装，我们实现了显著提高的21.7 GPa的弯曲模量和184 MPa的弯曲强度，以及基于总电池质量的127 Wh kg-1的高比能。机械性能要低得多
用于片上锌离子微电极的先进 3D 微电极...
开发具有更安全、更具成本效益的系统的高性能平面微电池对于为医疗植入物、微型机器人、微型传感器和物联网 (IoT) 等智能设备供电至关重要。然而，由于难以有效地将高容量活性材料加载到微电极上，目前的片上微电池在有限的设备占用空间内能量密度有限。片上微电池需要先进微电极的创新设计。这项工作引入了先进的、高度多孔的 3D 金 (Au) 支架基叉指电极 (IDE) 作为集电器，这能够有效地加载活性材料 (Zn 和聚苯胺)，而不会影响整体导电性，并显著增加活性质量负载。这些基于 3D Au 支架的微电池（3D P-ZIMB）在材料加载到平面 Au IDE 上时，与传统微电池（C-ZIMB）相比，具有显著更高的能量存储性能（增强 135%）。此外，3D P-ZIMB 比大多数高性能片上微电池具有更高的面积容量（≈ 35 μ Ah cm − 2 ）和面积能量（≈ 31.05 μ Wh cm − 2 ），并且它提供比高性能片上微型超级电容器高得多的面积功率（≈ 3584.35 μ W cm − 2 ）。深入的事后调查显示，3D P-ZIMB 避免了材料剥落、电解质离子扩散缓慢和阳极上枝晶形成等问题，同时保持了相同的材料形貌和结构特征。因此，本研究提出了一种智能策略来提高平面微电池的电化学性能并推动片上微电池研究领域的发展。
钠离子电池为电网储能铺平道路
弥补可再生能源发电与消费分配之间的脱节。虽然存在抽水蓄能和压缩空气等固定式储能，但它们缺乏灵活的外形尺寸和较低的能源效率限制了它们在城市社区的可扩展应用。[2] 因此，人们认为电池更适合用于大规模储能，能够部署在家庭、城市和远离电网、传统电力基础设施无法到达的地方。当今的电池技术以锂离子电池 (LIB) 和铅酸电池为主。虽然 LIB 在电动汽车和便携式电子设备等新兴市场表现出色，但其在大规模电网储能中的部署仍然受到高成本、低安全性和可持续性问题的阻碍。[3] 迫切需要其他能够满足低成本、高性能和安全性综合特性的替代方案。此外，迄今为止，处理大量报废电池的方法尚未完全开发出来，导致电池废物的积累，这可能会抵消其理应实现的环境效益。在成本方面，数十年的工业商业化使 LIB 的价格与刚进入市场时相比下降了一个数量级以上。这是通过改进 LIB 的活性成分（例如更好的电极和电解质材料）和非活性成分（例如集电器、隔膜、包装等）以及简化制造协议来实现规模经济而实现的。然而，如今 LIB 的生产水平优化已接近饱和极限，越来越明显的是，消除使用昂贵的元素（如锂、钴和镍）对于进一步降低每千瓦时成本（$/千瓦时）至关重要。[4] 对能源安全的担忧和供应链中的地缘政治考虑也促使无法在当地获得此类材料的国家寻求替代化学品来满足储能需求。因此，钠离子电池 (NIB) 及其商业化有望成为电网储能应用中 LIB 的替代品之一。NIB 具有许多优点，包括元素丰富、每千瓦时成本低以及对环境无害。虽然人们普遍认为 NIB 的电化学性能不如传统的 LIB，但
新闻稿 印度理工学院海得拉巴分校的研究人员开发出传统锂离子电池的替代品
基于可再生能源的能源经济已被提出作为摆脱对化石燃料依赖的一种出路。可充电锂离子电池 (LIB) 预计将在 2030 年内满足未来的电动汽车、电动航空和固定电网储能目标。然而，LIB 需要有毒且昂贵的金属，如钴、镍、锰等才能发挥作用。锂和钴的地质不对称分布以及以采矿为中心的地缘政治和不道德的童工，导致原材料成本大幅波动。它影响了电动汽车中使用的大型 LIB 组的市场价格稳定性。在双碳电池中，两个电极均由碳质材料组成，电解质中的离子会嵌入和脱嵌到电极基质中。由零过渡金属组成的新型双碳电池对环境无害。它可以将整体电池成本降低 20-25%，并有望抑制市场价格的不可预测性。使用普遍存在的碳替代重金属作为电极活性材料和集电器，具有轻便灵活等优点。制备的5.0伏（标称电压4.6伏）电池的能量密度约为100瓦时/公斤，进一步改造后可扩展到150瓦时/公斤。研究小组认为，开发的电池可能有潜力用于高压应用、复杂的电池供电医疗设备、电动汽车的再生制动系统和固定电网。研究小组负责人苏伦德拉·库马尔·马莎博士表示：“这项研究将进一步突破能量密度极限，他们的远大愿景包括将双碳系统作为更便宜的LIB替代品引入印度市场。”这项研究由印度理工学院海得拉巴分校的博士生 Shuvajit Ghosh 先生和 Udita Bhattacharjee 女士在 Surendra K. Martha 博士的指导下与美国橡树岭国家实验室和印度孟买海军材料研究实验室合作完成。海军研究委员会 (DRDO) 支持该项目。详细的实验和讨论可以在题为“锂基可充电电池中沥青涂层碳纤维的多功能利用 - Ghosh, S.、Bhattacharjee, U.、Patchaiyappan, S.、Nanda, J.、Dudney, NJ 和 Martha, SK”的文章中找到，该文章发表在《先进能源材料》上，2021 年，2100135（DOI：10.1002/aenm.202100135）。