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东京大学研发具备自我修复能力的电极材料有

2020-10-20 19:14:15
东京大学研发具备自我修复能力的电极材料 有助于延长电池寿命

6月6日,记者了解到,东京大学的研究小组发现了具备自我修复能力的电极材料,可以通过存储电力对其结构进行修复。

目前的充电电池随着反复充放电,性能会降低,因此需要对电池中存储电力的核心部位——电极材料进行改良。

此次发现的电极材料,通过充电能变成稳定的结构,因此每次充电都会自我修复,性能不受影响。分析发现,这种自我修复现象是由物质内部的离子与空位的强烈库仑引力引起的,也就是说,随着离子与空位之间彼此强烈吸引,自发变成了没有错乱的结构,实现了自我修复。

全世界的研究人员都在寻找能够既使锂离子电池负电极存储更多电能又减轻电池重量,提高性能的方法。其中最有发展潜力的一种电极材料就是硅,硅能在电池充电时从电池液中高效吸收锂离子,并在电池工作时释放锂离子。

但是这种电池有一个弊端,当硅电极每次充电和放电时都会膨胀至正常大小的3倍然后再缩小,大大降低了电池的性能。这也是所有大容量电池电极的通病。

新型可自行修复电极采用硅微粒制成,这种材料通常用于半导体和太阳能电池的制造行业。研究人员表示他们将继续改善这种技术,进一步提高硅电极的性能和寿命。

金属自我修复机制被发现 或有助于制造新材料

自然界中的生物体和具有记忆功能的有机材料等,在遭受损伤时具有自我康复的功能。麻省理工学院的研究人员在一项金属特性实验中意外发现受损的金属也具有自我修复的功能。

金属合金分子结构电脑模拟显示,微晶粒之间的边界会在压力下出现裂痕。大多数金属都是由细微的晶粒构成,这些晶粒的大小和方向能够影响金属的强度和特性。但在某些条件下,压力可以让这种晶粒的微观结构发生改变:使晶界(晶粒边界)发生移动,而晶界移动则是修复“创伤”的关键。

近几十年来,科研人员对固体金属中晶界的移动一直开展着研究,但发现只有某些晶界才发生导致自我修复的现象,即只有部分晶界延伸到一个晶粒,但不是所有部分。这造成了一种被称之为“向错”的缺陷。实际上早在一个世纪前“向错”就已经被观察到,但当时认为这只是一种奇特现象。当麻省理工学院(MIT)材料科学和工程教授迈克尔·戴姆克维兹和研究生徐国强在实验中意外发现,金属中晶界在受外力作用产生裂痕后可以开展全面的修复行为,而且这种自我修复功能其实是向错缺陷带来的结果。

为重现这一现象,他们为之建立了计算机模型,通过模型演示能清楚地观察到金属材料在遭受外力创伤时,晶界发生移动从而完成自我修复的过程。戴姆克维兹教授认为,金属内部原则上都存在一个缩小外力造成裂痕的机制。

向错有强烈的应力场,“实际上它们完全可以减弱外加负载产生的影响。”戴姆克维兹教授说,“当破裂的材料两边被撕开时,这种机制阻止裂痕不再进一步扩大,并且使之产生愈合。”

发现这个机制后,MIT的研究人员计划进一步研究如何设计出相应的金属合金,以便在特殊应用条件下产生自我修复的功能。戴姆克维兹教授指出,合金微观结构控制技术已经存在,现在只需要计算出如何获得理想的结果。“我们为之打开了通途,如何设计出可以自我复原的金属材料不会太久。”

如果将这种库伦吸引力导入其他电极材料,也有望实现自我修复能力,有助于延长电池的寿命。

相关研究成果在线发表于近期的《自然·通讯》上。

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