新能源领域近期(0927-01017)前沿汇总:能源革命的脚步大步向前|燃料电池、锂电池再次取得突破|新型电池层出不穷
时间:2017-10-19
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来源:新材料在线
1.多孔石墨烯加速能源革命
科学家一直在寻找一种可以储存大量电荷并可以迅速释放能量的材料。现在研究人员已经做出了初步的材料——石墨烯--Nb2O5纳米复合材料。
纳米结构储能材料受到超薄电极和低质量负载的限制，然而研究人员制备了三维多孔石墨烯网络，加入Nb2O5后表现得类似于纳米导电支架，克服了上述问题。相互连接的石墨烯结构提供了电子传输的框架，而可调节的孔隙允许离子的快速移动。这项工作非常出色。由新的纳米复合材料制成的电极，在实际有用的重量(11 mg/cm2)下仍然显示出高速和高区域容量。
2、重磅消息！储氢不再遥遥无期！
劳伦斯?利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家通过理论与实验发现了二硼化镁(MgB2)吸收氢气的原理，并为将MgB2转化为Mg(BH4)2(硼氢化镁，氢含量最高)的反应途径提供了重要的见解。
由于Mg(BH4)2的氢含量很高而且热力学性能也很独特，所以Mg(BH4)2是一种特别有希望的储氢材料。研究发现，在氢暴露的初始阶段，MgB2可以氢化成Mg(BH4)2而不形成中间体化合物。这项研究为理解固态储氢材料中的复杂反应、实验和理论整合提供了一个更加全面的路线图。
3、小储能器件释放大能量
压电材料利用实际应用中的机械压应力来产生电能，并且压电材料可被应用于手机到超声波换能器等各个领域。这种电能也可以由振动引起的应力产生，因此科学家创造了PEH。这些PEH可以小到微米或纳米级别，并与纳米器件一起使用。
来自伊朗的研究小组基于非局部弹性理论研究了非线性振动和电压，该理论指出点应力取决于该点附近区域的应变。通过这个理论，他们可以更简单直接的推导非线性运动方程。研究结果表明，纳米尺度的质量和比例因子产生的电压和振幅成正比。随着在医疗、工程和物理等领域的应用，科学家在纳米器件所需要与其尺寸匹配的供能系统的研究上已经取得了巨大的进步，如最近研究出的PEHs模型。
4、创建更持久的燃料电池
影响燃料电池寿命的一个主要问题是中央电解质膜的氧化或分解。这个过程会导致电解质膜上产生孔洞，并最终导致化学短路。
华盛顿大学—圣路易斯的一个工程小组已经开发出一种新的方法来检测氧化反应的速率。这项技术在了解电池如何分解、设计如何延长燃料电池寿命时将是一个转折点。这种新的方法能让研究人员关注的发生在电池内部的现象有一个更好的解释。在操作过程中，使用燃料电池内部荧光光谱监测氧化物质——自由基的形成。通过荧光光谱与光纤的结合使用，研究者可以直观地量化燃料电池内部产生的会破坏电解质膜的氧化自由基。
5、Science突破：钙钛矿太阳能电池突破瓶颈，既高效又稳定不再是梦！
钙钛矿太阳能电池（PSCs）制造成本低，光电转换效率高。但从商业化生产角度考虑，钙钛矿薄膜还需要具有高的耐用性，并且在太阳光下不会随着时间发生降解。
科学家们通过引入硫氰酸亚铜（表面被一层薄薄的还原氧化石墨烯所保护），大大提高了钙钛矿太阳能电池的工作稳定性。在对该类型的太阳能电池进行加速寿命测试试验(一项重要的检测项目，在60℃的条件下，将待测对象暴露于全光照下1000小时以上)时发现，器件的损耗程度不足5％；电池以最大功率、不低于原始工作效率(20%以上)95%的情况下连续工作了1000多个小时。这甚至超过了基于有机空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池的稳定性，这类太阳能电池目前正被大量研究且在该领域占主导地位。
6、锂电池充电提速小帮手——沥青
莱斯大学的科学家认为，一块沥青可能对高容量锂金属电池而言是神奇的，它可以使商业锂离子电池的充电速度提高10到20倍。
化学家James Tour在Rice实验室研发出由沥青制成的多孔碳的阳极，其在超过500个充电---放电循环之后显示出极好的稳定性。高电流密度为20mA/cm2，证明了该材料在高功率密度下的快速充放电装置中的应用前景。这些电池的容量是非常巨大的，但同样引人夺目的是，其充电速度提高了20多倍。
7、新发现！涂覆金属纳米粒子的纸基超级电容器有望应用于可穿戴设备
来自美国和韩国的研究人员利用金属纳米粒子在纸上涂覆纤维，来制备出能量密度和电荷密度都很高的超级电容器电极，开发了一种纸基柔性超级电容器，这种电容器可以为可穿戴设备供电。
通过在纸上涂覆导电和储电材料，此项技术制备了可以充当电极集电器和纳米粒子存储器的大表面。测试表明：应用了此技术的设备可以折叠数千次而不影响其传导性。这种柔性能量储存设备为可穿戴设备联网提供了独特机遇，有助于我们促进最先进便携电子器件的发展。我们也有机会把这种超级电容器与集能设备结合，这样就可以为生物医疗传感器、消费者、军用电子设备及类似的应用供电。
8、新型电解质让固态锂电池的普及不再遥远！
美国犹他大学矿物与地球科学学院的Jan D. Miller教授和研究人员研发出一种新的基于DRAGONITE的固体聚合物电解质(SPE)，这可能会增加固态锂电池技术在商业方面的应用。与传统的液体和凝胶基锂电池相比，固态锂电池具有更长的循环寿命、更大的储存能力，而且生产成本更低。
Miller教授的研究团队已经展示了如何将DRAGONITE整合到聚合物电解质中，如此一来可以在宽范围的工作温度范围内降低结晶度，从而减少目前固态锂电池技术所遇到的电导率损失。值得强调的是，这种突破是由于DRAGONITE纳米管形态的独特表面性质，DRAGONITE纳米管为提高电解质材料导电性创造出多维途径。
9、这种新材料居然可从海水中提取氢气！
在很多情况下，从太阳能中生产化学燃料，是比太阳能电池板发电更加有效的解决方案。电能必须被使用或者存储在电池中，但是电池会降解，而氢气则很容易存储和运输。 制造催化剂相对便捷、便宜。
来自UCF的研究人员Yang Yang提出了一种利用太阳能的新型混合纳米材料，并且利用它能够更加廉价和有效地从海水中生产氢气。一般的催化剂只能将有限带宽的光转化为能量。凭借其新材料，Yang的团队能够显著提高可吸收光的带宽。通过控制纳米片中硫的空位密度，他们可以产生紫外—可见光—红外光这一范围波长的能量，使其效率至少是当前光催化剂的两倍。新型催化剂，不仅可以获得比其他材料更加广泛的光照，而且可以应对海水中的恶劣环境。
10、先进电极和催化剂极大的影响电池性能
UCF的研究人员设计了一种新型的锂离子电池，这种电池可以显示出优良的导电性，在高温环境中保持稳定，并且制造成本低廉。最重要的是，它为高性能的锂离子电池提供了一种充电方式，在不损坏的情况下，可以进行数千次的充放电。
所有电池在反复充放电之后性能都会失效。高质量的锂离子电池在电池失效之前，可以充放电300-500次。实验表明，硫化镍和硫化铜作为阴极的电池充放电可以达到5000次以上。这种电催化剂比锂离子电池中的挥发性化合物更安全、更稳定，可以在雨水、极端温度和其他恶劣条件下发挥作用。此外，如果不需要贵金属，它可以更便宜的价格生产。
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