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Jülich與ORNL合作研發鐵-空氣電池

2017-11-21

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據外媒報道,鐵-空氣電池(Iron–air batteries)的能量密度要遠高于當前的鋰離子電池。此外,其主要構成物“鐵”的儲量十分富足,該材料的價格也很便宜。為此,于利希研究中心(Forschungszentrum Jülich)也致力于重新研究該鐵-空氣電池這一理念(上世紀70年代就已提出)。

由于技術難題難以攻克,自上世紀80年代起,金屬-空氣電池的研究被棄置了很長一段時間。然而,最近數年來,該領域的研發興趣越來越大。鐵-空氣電池的通過鐵與氧的反應來獲得能量。在反應過程中,鐵氧化過程與生銹過程幾乎一樣。該反應需要周邊空氣內的氧氣參與反應,這樣就無需考慮電池的氧氣存儲問題。由于可節省材料成本,使得研究機構紛紛開始研發鐵-空氣電池。

于利希研究中心與美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)已成功觀測到電池運行期間鐵電極上的積聚物是如何形成的,其觀測精度可達納米級。若欲進一步研發鐵-空氣電池并達到市場成熟水平,對其充放電反應的深入了解就顯得至關重要了,該研究成果已發表在期刊《納米能源(Nano)》中。

據估計,鐵-空氣電池能量密度的理論值在1200 Wh/kg,相較之下,當前鋰離子電池的能量密度約為600 Wh/kg,若將電芯外殼的重量納入考慮,其能量密度將低于350 Wh/kg。

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鋰-空氣電池的最大能量密度將達到11400 Wh/kg,但其技術難度極大、復雜性較高。然而,如果按體積能量密度來比對,鐵-空氣電池的表現則更好:9700 Wh/l,幾乎是當前鋰離子電池(2000 Wh/l)體積能量密度的5倍,鋰-空氣電池的體積能量密度“僅為”6000 Wh/l。對于眾多移動設備而言,鐵-空氣電池的吸引力依然很大,因為體積(空間)要求也成為了移動應用的一項重要參數指標。

于利希研究中心采用了美國橡樹嶺國家實驗室納米材料科學中心(Center for Nanophase Materials Sciences)的原位電化學原子力顯微鏡(in situ electrochemical atomic force microscopes)對鐵-空氣電池的充放電情況進行觀察,并確認氧化鐵顆粒(Fe(OH)2)是如何形成于鐵電極之上的。

(電極)積聚物提升電池容量

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積聚物并不會降低電池的容量,恰恰相反,納米多孔層(nanoporous layer)會增大電極的活性表面積(active surface area),在充放電周期后,其電池容量會小幅提升。得益于該研究調查,研究人員首次獲得了納米多孔層增生的清晰脈絡圖。

然而,距該產品的市場成熟尚有一段時間。研究人員在實驗室內進行了數千次的充放電試驗,盡管鐵質孤島電極(isolated electrodes)在運行時并未出現較大的能量損失,但鐵-空氣電池在采用空氣電極作為電池的另一極后,充放電次數卻只維持在20-30次。

該實驗結果被劃歸到高溫及高能量密度材料的研究項目范疇內,該項目獲得了德國聯邦研究教育部(German Federal Ministry of Education and Research)的資金支持。

未來,美國橡樹嶺國家實驗室與于利希研究中心或將簽訂合作協議,因為雙方自2008年后就加強了在各個科研領域內的研究。


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