El nuevo desarrollo de los científicos podría hacer que las baterías sean más pequeñas.

¿Qué tan livianos y delgados son los dispositivos electrónicos de consumo, como teléfonos móviles y computadoras portátiles, y cómo los autos eléctricos pueden tener un mayor kilometraje en el espacio limitado de la carrocería del automóvil ... a medida que crece la demanda de almacenamiento de energía? El rendimiento de las baterías secundarias también se ha presentado con requisitos cada vez más altos. La nanotecnología puede hacer que las baterías sean "más ligeras" y "más rápidas", pero debido a la baja densidad de los nanomateriales, "más pequeñas" se ha convertido en un problema para los investigadores científicos en el campo del almacenamiento de energía.

El "Método de la plantilla de azufre" fue propuesto por el equipo de investigación del profesor Yangquanhong del Instituto de Ingeniería Química de la Universidad de Tianjin y ganador de la National Outstanding Youth Science Foundation. A través del diseño de materiales de electrodo negativo de batería de iones de litio de alta densidad de energía, finalmente se completó el grafeno. "Ropa a medida", hace posible que las baterías de iones de litio sean "más pequeñas". El resultado fue publicado en línea el 26 de enero en "Nature Communications".

Como la batería secundaria más utilizada, las baterías de iones de litio tienen una alta densidad de energía. Se espera que los materiales que no sean de carbono, como el estaño y el silicio, reemplacen al grafito comercial como una nueva generación de materiales de electrodo negativo, aumentando en gran medida la densidad de energía de masa (Whkg-1) de las baterías de iones de litio, pero su enorme expansión de volumen limita seriamente su rendimiento volumétrico. . Ventaja. Se considera que la estructura de la jaula de carbono construida por nanomateriales de carbono es el medio principal para resolver el problema de la expansión de gran volumen cuando los materiales de electrodo negativo que no son de carbono están incrustados en litio; Sin embargo, en el proceso de construcción de la red de amortiguación de carbono, a menudo se introduce demasiado espacio reservado, lo que resulta en una reducción significativa en la densidad de los materiales de los electrodos, lo que limita el desarrollo de un rendimiento de masa negativo de las baterías de iones de litio. Por lo tanto, la personalización precisa de la estructura de la jaula de carbono no solo es un problema académico importante, sino también la única vía para la industrialización de nuevos materiales de electrodos negativos de alto rendimiento.

El equipo de investigación del profesor Yangquanhong ha logrado avances en el diseño de materiales de electrodos negativos de baterías de iones de litio de densidad de energía de alto volumen en colaboración con la Universidad de Tsinghua, el Centro Nacional Nano y el Instituto Nacional de Investigación de Materiales de Japón. Basado en el ensamblaje de la interfaz de grafeno, el equipo de investigación ha inventado una jaula compacta de carbono poroso. Tecnología de plantilla de azufre personalizada con precisión. En el proceso de construcción de una red densa de grafeno utilizando tecnología de evaporación capilar, introdujeron azufre como plantilla de volumen fluido y capas de carbono de grafeno personalizadas para partículas no activas en carbono. Modulando el uso de plantillas de azufre, la estructura tridimensional de la jaula de carbono de grafeno se puede regular con precisión para lograr una envoltura de "ajuste" del tamaño de partícula activa sin carbono, amortiguando así de manera efectiva la enorme expansión de volumen de litio incrustado en material sin carbono partículas activas. Como electrodo negativo de la batería de iones de litio, muestra un excelente rendimiento volumétrico.

El método de la plantilla de azufre se propone en la red densa de grafeno tridimensional, utilizando hábilmente las características del azufre como "transformadores", amorfos y de fácil eliminación. El recubrimiento cerrado de partículas activas que no son de carbono, como las nanopartículas de dióxido de estaño, se realiza dentro de la estructura de la jaula de carbono. En comparación con la plantilla de "forma" tradicional, la mayor ventaja de la plantilla de azufre es que puede desempeñar el papel de una plantilla de volumen de plástico, de modo que la estructura compacta de la jaula de grafeno puede proporcionar un espacio reservado adecuado con dimensiones precisas y controlables. Finalmente se completó el "sastre" para el dióxido de estaño activo. Este material de electrodo compuesto de carbono y no carbono con espacio reservado adecuado y alta densidad puede contribuir a una capacidad específica de volumen extremadamente alta, lo que aumenta en gran medida la densidad de energía volumétrica de las baterías de iones de litio y hace que las baterías de iones de litio sean más pequeñas. La idea de diseño de este tipo de "ropa a medida" puede extenderse a la estrategia de construcción de la batería de iones de litio de alta energía de próxima generación y la batería de litio-azufre, la batería de aire de litio y otros materiales de electrodos.

El equipo de investigación del profesor Yangquanhong ha realizado una serie de avances importantes en el campo del almacenamiento compacto de energía que enfatiza el rendimiento volumétrico del dispositivo en los últimos años. Ha inventado la estrategia de densificación por evaporación capilar del gel de grafeno y ha resuelto la alta densidad de los materiales de carbono y la porosidad. El problema del cuello de botella de "pez y oso Palm no se puede obtener al mismo tiempo", materiales de carbono poroso de alta densidad; En la búsqueda del pequeño volumen y la alta capacidad de los dispositivos de almacenamiento de energía, los principios de diseño de los dispositivos de almacenamiento de energía de densidad de energía de alto volumen se presentan a partir de cinco aspectos: estrategia, método, material, electrodo y dispositivo. Al final, se construyeron materiales, electrodos y dispositivos de almacenamiento de energía de gran volumen a partir de supercondensadores, condensadores de iones de sodio, baterías de litio azufre y baterías de aire de litio para baterías de iones de litio, sentando las bases para la aplicación práctica de nanomateriales de carbono. Se avanza en la aplicación de nuevos dispositivos de almacenamiento de energía electroquímica basados en nanomateriales de carbono.

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