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有读书笔记All-carbon-nanofiber electrodes for high-energy rechargeable Li–O2 batteries

唐唐 添加于 2011-8-3 04:31 | 2689 次阅读 | 0 个评论

  •  作 者

    Mitchell RR, Gallant BM, Thompson CV, Shao-Horn Y

  •  摘 要

    Hollow carbon fibers with diameters on the order of 30 nm were grown on a ceramic porous substrate, which was used as the oxygen electrode in lithium-oxygen (Li–O2) batteries. These all-carbon-fiber (binder-free) electrodes were found to yield high gravimetric energies (up to 2500 W h kgdischarged−1) in Li–O2 cells, translating to an energy enhancement [similar]4 times greater than the state-of-the-art lithium intercalation compounds such as LiCoO2 ([similar]600 W h kgelectrode−1). The high gravimetric energy achieved in this study can be attributed to low carbon packing in the grown carbon-fiber electrodes and highly efficient utilization of the available carbon mass and void volume for Li2O2 formation. The nanofiber structure allowed for the clear visualization of Li2O2 formation and morphological evolution during discharge and its disappearance upon charge, where Li2O2 particles grown on the sidewalls of the aligned carbon fibers were found to be toroids, having particle sizes increasing (up to [similar]1 μm) with increasing depth-of-discharge. The visualization of Li2O2 morphologies upon discharge and disappearance upon charge represents a critical step toward understanding key processes that limit the rate capability and low round-trip efficiencies of Li–O2 batteries, which are not currently understood within the field.

  •  详细资料

    • 文献种类:期刊
    • 期刊名称: Energy & Environmental Science
    • 期刊缩写: Energy Environ. Sci.
    • 期卷页: 2011年  第4卷 第8期 2952页
    • ISBN: 1754-5692

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    科学家发明新型碳纤维锂空气电池
    据美国物理学家组织网7月25日报道，美国科学家研制出一种新式碳纤维锂空气电池，其能量密度是现在广泛应用于手机、汽车中可充电锂离子电池的4倍，该研究发表在最新一期《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）杂志上。
     
    去年，由麻省理工学院（MIT）机械工程和材料科学与工程系教授杨绍红（音译）领导的科研 团队，通过使用稀有金属晶体，改进了锂空气电池的能量密度。从理论上来讲，锂空气电池的能量密度大于锂离子电池，因为，它用一个多孔的碳电极取代了笨重的 固态电极，碳电极能通过从漂过其上方的空气中捕获氧气来存储能量，氧气与锂离子结合在一起会形成氧化锂。
     
    最新研究朝前迈进了一步，制造出的碳纤维电极比其他碳电极拥有更多孔隙，因此，当电池放电时，有更多孔隙来存储固体氧化锂。
     
    该论文的合作者、MIT材料科学与工程系研究生罗伯特·米切尔表示：“我们利用化学气相沉积过程，植入了垂直排列的碳纳米纤维阵列，这些像毯子一样的阵列就是导电性高、密度低的储能‘支架’。”
     
    另一名研究人员、MIT机械工程系的研究生贝塔·加兰特解释道，在放电过程中，过氧化锂粒 子会出现在碳纤维上，碳会增加电池的重量，因此，让碳的数量最小、为过氧化锂留出足够的空间非常重要。过氧化锂是锂空气电池放电过程中形成的活性化学物 质。杨绍红表示：“我们新制造出的像毯子一样的材料拥有90%以上的孔隙空间，其能量密度是同样重量的锂离子电池的4倍。而去年我们已经证明，碳粒子能被 用来为锂空气电池制造有效的电极，但那时的碳结构只有70%的孔隙空间。”
     
    科学家们指出，因为这种碳纤维电极碳粒子的排列非常有序，而其他电极中的碳粒子非常混乱， 因此，比较容易使用扫描式电子显微镜来观察这种电极在充电中间状态的行为，这有助于他们改进电池的效能，也有助于解释为什么现有系统在经过多次充电放电循 环后，性能会下降。但将这种碳纤维锂空气电池商品化还需进一步研究。（来源：科技日报 刘霞）
     
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