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【精华推荐】材料最前沿:全固态锂电池材料、能“发电”的吸能材料、宽波段柔性吸光材料、3D打印先进陶瓷材料

现在,麻省理工学院的一个团队第一次探索了硫化物基固体电解质材料的机械性能,以确定其结合到电池中时的机械性能。

新的研究结果发现在本周的“高级能源材料”杂志上发表,该论文由麻省理工学院的研究生Frank McGrogan和Tushar Swamy,材料科学与工程教授Krystyn Van Vliet,材料科学与工程教授陈明清,另外四位包括由麻省理工学院材料科学与工程中心及其材料加工中心管理的国家科学基金会本科研究经验(REU)的本科生。

锂离子电池提供了一种轻量级的储能解决方案,使许多当今的高科技设备可用,从智能手机到电动汽车。但是在这种电池中,用固体电解质代替常规的液体电解质可具有显着的优点。重量相当时,这种全固态锂离子电池可以在电池组级别提供甚至更大的能量存储能力。它们还可以基本上消除被称为“树突”的微小的,指状的金属突起带来的风险,树突可以穿透电解质层生长并导致短路。

“全固态电池是性能和安全性的有吸引力选择,但仍有一些挑战。”Van Vliet说。在当今市场占主导地位的锂离子电池中,锂离子在电池充电时通过液体电解质从一个电极到达另一个电极,然后在使用时通过相反的方向流过。“这些电池是非常有效的,但液体电解质具有化学不稳定性,甚至是易燃的。”Van Vliet说。“所以,如果电解质是固体会更安全,并且体积更小,重量更轻。”

但是使用这种全固体电池的大问题是当电极反复充电和放电时,电池内部的电解质材料可能发生什么样的机械应力。这种循环使得电极随着锂离子进入和离开其晶体结构而膨胀和收缩。在刚性电解质中,这些尺寸变化可能导致较高应力。如果电解质也是脆性的,尺寸的恒定变化可导致裂纹,并迅速地降低电池性能,甚至可能产生利于损坏电池的树突形成的通道,如在液体电解质电池中那样。但是,如果材料抗断裂,那些应力可以在材料快速开裂前被吸纳。

到目前为止,硫化物对正常实验室空气的极端敏感性对测量其机械性能,包括断裂韧性提出了挑战。为了避免这个问题,研究人员在矿物油浴中进行机械测试,保护样品免受与空气或水分的任何化学相互作用。使用该技术,他们能够详细测量硫化锂的机械性能,硫化锂被认为是全固态电池电解质最有希望的候选者。

“固体电解质有很多不同的候选者,”McGrogan说。其他团体已经研究了锂离子导电氧化物的机械性能,但是迄今为止对硫化物的研究很少,即使它们能够快速地传导锂离子而非常具有潜力。

此前,研究人员使用声学测量技术,使声波通过材料以探测其机械行为,但是该方法不能量化材料对断裂的抵抗力。本项新研究工作使用细尖探针进入材料并监测其响应,测量出了材料更重要的性能,包括硬度,断裂韧性和杨氏模量(衡量材料的拉伸能力在施加应力下可逆)。

“研究小组已经测量了硫化物基固体电解质的弹性性能,但没有测量断裂性能,”Van Vliet说。断裂性能对于预测材料在电池中用作电解质时是否可能破裂或破碎是至关重要的。

研究人员发现,该材料的综合性能类似于橡皮泥或盐水太妃糖的性质组合:当经受应力时,它可以容易地变形,但是在足够高的应力下它可以像脆性玻璃片一样裂开。

“通过详细了解这些属性,你可以计算材料在断裂之前能承受多大的应力,并且在设计电池系统时考虑到这些信息。”Van Vliet说。

事实证明,硫化物材料比电池使用的理想材料更脆。“但是只要已知其性质,并且系统设计恰当,该材料仍然可以具有用作固态电解质的潜力。”McGrogan说。“你必须围绕这个知识进行设计。”

吸能材料可同时以多种形式的能“发电”

  将阳光照进房间里的热量和自身运动产生的热量收集起来,或许可用于驱动生物传感器和智能手表等便携式装备和可穿戴设备。据最新一期《应用物理快报》杂志报道,芬兰奥卢大学的研究人员首次发现,在室温下,含有钙钛矿晶体结构的矿物质具有同时从多种能源中转化能量的特质,有望实现能源的可持续利用,推动物联网和智能城市的发展。

  钙钛矿有一个大家族,其中许多矿物只能一次捕获一种或两种能量。有的擅长把太阳能转换成电能,而有的善于从运动产生的温度和压力变化中获得能量,它们分别被称为热释电和压电材料。

  然而在实际中,有时仅靠一种能量来源是不够的,因此,研究人员希望开发出可以同时利用多种形式能源的设备。奥卢大学的研究团队发现,有一种特定的钙钛矿类型(KBNNO)可以利用多种形式的能源。

  新研究首次在室温条件下一次性评估了这种材料几乎所有的特性。KBNNO是一种铁电材料(热释电材料的一个分支),当经受温度变化之后,会产生电流;同时,当材料受压变形时,导致某些区域吸引或排斥电荷也可产生电流。研究发现,尽管这种材料在热和压力下发电性能相当好,但并不是最好的,不过,通过修改它的组成可以提高其热电和压电性能。

  研究人员希望,未来建立一个多能量采集装置原型机,一旦找到最好的契合材料,短短几年内即可商业化。也许有一天,这种多能量采集材料让你不再需要充电宝之类小设备,而其中的电池也会被淘汰了。

宽波段柔性吸光材料问世

可提高太阳能电池效率并具隐身性能

  美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员在近期的美国《国家科学院院刊》上发表论文称,他们利用纳米技术,开发出一种轻薄透明的柔性吸光材料,可将太阳能电池的效率提高3倍以上,并具有隐身性能。

  该材料可称是近乎完美的宽波段吸收材料,可吸收87%以上的近红外光(1200至2200纳米波长),对其中1550纳米波长的光的吸收率达98%,且能够从各个角度吸收光。理论上,也可以只吸收特定波长的光而允许其他波长的光通过。

  新的吸光材料主要是基于表面等离子体共振的光学现象。研究人员采用了氧化锌半导体,其可通过与金属掺杂改性。掺杂了铝的氧化锌含有大量的自由电子,足以使等离子共振吸收红外线。

  他们用先进的纳米加工技术,以精确的方式对材料进行组合与构成。在硅衬底上,每次沉积一个原子层,以构建立式纳米管阵列。再将纳米管阵列从硅衬底转移到薄而有弹性的聚合物上,就可制造出这种新材料。

  实验证明,通过改变不同的参数,如管与管之间的间距、材料的比例、材料的类型以及电子载体浓度,便可调整材料的吸收波段。

  研究人员表示,该设计以纳米粒子为基础,具有一些令人振奋的特性,如可将其转移到到任何类型的基板上,用于大窗户的宽波段吸收等。纳米材料通常只在厘米尺度上进行制造,新研究在大面积制造上迈出了一大步。由于这种新的吸光材料是宽波段吸收材料,可选择性吸收光,也可对其吸收波段进行调节,因此可广泛应用于隐身技术,如为军事设备或人员提供各种伪装等。而新吸光材料的全波段全角度特性,也可用于大幅提高太阳能电池的效率。

  研究人员表示,该技术目前仍处于研发阶段,他们将探索使用不同材料,不同几何图形,开发不同波长的光吸收材料,以提供更为广泛的应用。

以色列创新局和国防部资助研发

3D打印先进陶瓷材料

近日,以色列纳米尺寸有限公司宣布,其全资子公司纳米尺寸技术有限公司获得以色列创新局MEIMAD委员会资助,用于研发先进陶瓷材料的3D喷墨打印。总经费约为37.2万美元,其中以色列创新局将资助50%。协议规定,若公司日后出售受资助的技术需支付特许权使用费,金额相当于资助费用。

研究背景

陶瓷材料是非有机也非金属的固体材料,其机械性能至关重要,如弹性、可塑性、拉伸强度、抗压强度、剪切强度等。陶瓷材料可用于制造半导体和超导,且通常用于制造压敏电阻。

陶瓷材料的机械强度和热阻特性使其成为航空航天设备中广泛应用的关键材料。但当前的陶瓷制备成本高昂,从设计到最后的装配阶段耗时较长,且无法制成复杂结构。

技术优点

纳米尺寸技术公司的新型3D打印技术能够进行精确的3D制造,并在单个制造工序中可同时打印多种不同材料。快速的制造过程、高精度打印和多种材料相结合,致使打印产品具有先进特性。该公司的先进技术有望为航空航天工业制造下一代陶瓷材料。

这种3D打印的陶瓷材料用途广泛,如用于印刷电路板(PCB)的电极材料。这种应用具有革命性意义,陶瓷材料的绝缘性和机械强度远好于现在PCB板使用的材料。

截止2016年12月,纳米尺寸公司的“飞龙2020”3D打印机已用于五家业界领先的公司,用于制造PCB板。该公司的用户包括美国3D印刷企业FATHOM和美国电子公司PHYTEC。还有两家未披露的美国公司,其中一家是国防企业,和一家德国的微处理器解决方案公司。

关于MEIMAD

MEIMAD是由以色列创新局、财政部、国防部的武器开发与技术基础管理机构共同出资成立的机构。成立目标是推进军事、国防和军民两用技术的商业研发,这将有助于国家安全领域发展,并将带来经济效益。

以色列创新局的两个主要目标是维持以色列的全球创新领先地位,并通过技术创新提升整体经济实力。

关于纳米尺寸有限公司

成立于2012年,致力于开发先进3D印刷电子系统和先进增材制造。该公司的产品主要结合三种技术:3D喷墨、3D软件和纳米材料,主要产品包括首台专门用于打印多层PCB板的3D打印机,以及基于先进纳米技术的导电和电介质油墨。

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