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锂离子电池的低成本替代品

时间：2022-04-11 12:16:39 来源：

美国橡树岭国家实验室科学家的Forschungszentrum Juelich研究人员现已成功地以纳米级精度观察了操作过程中铁电极上沉积物的形成方式，对充放电反应的深入理解被视为进一步发展这种类型的关键充电电池市场成熟。

铁-空气电池比目前的锂离子电池具有更高的能量密度。此外，它们的主要成分铁是一种丰富的材料，因此是相当便宜的材料，ForschungszentrumJülich的科学家是在1970年代对这一概念进行重新研究的推动力之一。

测量方法示意图：原位电化学原子力显微镜的尖端扫描铁电极的表面。激光束偏转显示出空间不规则性，可以在几个周期的过程中将它们相互比较。

由于包括无法克服的技术难题在内的原因，金属空气电池的研究在1980年代被长期放弃。然而，在过去的几年中，研究兴趣迅速增加。铁-空气电池从铁与氧气的反应中吸收能量。在此过程中，铁几乎完全像生锈过程中那样被氧化。反应所需的氧气可以从周围的空气中吸收，因此不需要将其存储在电池中。这些节省的材料是金属空气电池实现高能量密度的原因。

预计铁空气电池的理论能量密度将超过1,200 Wh / kg。相比之下，目前的锂离子电池的重量约为600 Wh / kg，如果考虑电池壳体的重量，则更低（350 Wh / kg）。锂空气电池在技术上要实现起来更加困难和复杂，其能量密度最高可达11,400 Wh / kg。在体积能量密度方面，铁空气电池的性能甚至更好：9,700 Wh / l，几乎是当今锂离子电池（2,000 Wh / l）的五倍。甚至锂空气电池也只有6,000 Wh / l。因此，对于空间需求起着很大作用的众多移动应用，铁空气电池特别有趣。

研究所所长Rüdiger-A。 Eichel解释说：“我们有意识地专注于研究由地壳中大量存在且大量生产的材料制成的电池类型。因此，预计供应短缺。该概念还具有成本优势，可以直接应用于电池，特别是在大规模应用中，例如用于稳定电网或电动汽车的固定设备。”

Jülich研究人员获得的见识为有针对性地改善电池性能创造了新的基础。在橡树岭国家实验室的纳米相材料科学中心使用原位电化学原子力显微镜，他们能够观察到铁电极上的氢氧化铁颗粒（Fe（OH）2）沉积物的形成过程与之前类似。充电和放电。

尤利希斯能源与气候研究所（IEK-9）的Henning Weinrich解释了这一点：“仅13.7的高pH值就代表了该仪器的临界条件。我们是橡树岭地区第一个在现实条件下成功进行此类实验的人。”Weinrich在美国呆了三个月，尤其是在测量方面。

沉积物不会降低电池的电量。相反，由于无孔层增加了电极的有效表面积，因此它有助于在每个充电和放电循环后容量的少量增加。通过调查，研究人员首次获得了该层生长的完整图片。

于利希斯能源与气候研究所（IEK-9）的赫尔曼·坦佩尔（Hermann Tempel）博士解释说：“以前假设在充电过程中沉积会逆转。但这显然不是事实。”此外，首次验证了在电极表面形成层与电化学反应之间的直接联系。

但是，距离市场成熟还有很长的路要走。尽管在实验室实验中，由铁制成的隔离电极可以在几千个周期内无重大功率损耗的情况下运行，但到目前为止，使用空气电极作为反极的完整的铁-空气电池只能持续20至30个周期。

不久以后，该研究项目可能会被视为一项突破。对于电池制造商，设备制造商和消费者而言，这些能量密度只是一块巨大的钻石。再加上原材料成本要低得多。这项研究不仅有“腿”，而且为其他已经停滞的研究人员增加了新的腿。

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