信息与技术

高熵来驱动高能量世界

科学家们一直在寻找新的材料,这些材料的特性可能会解决我们这个科技含量高的社会所面临的最严峻的挑战。例如,为了解决更持久的能量存储需求,卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的Ben Breitung博士、Torsten Brezesinski博士和他们的团队正在通过多样化晶体结构的组成来开发高熵材料。迄今为止,这些多用途、高度可定制的材料的性能大多未被开发,但已被证明在下一代电池技术中有很好的应用前景。

在过去的几十年里,我们可以使用的移动设备和小工具的数量呈爆炸式增长。许多是我们日常生活的一部分,而其他的,如手机,已经成为我们社会的必需品。便携式电子设备的惊人发展是由于锂离子(锂离子)电池的发明,一种先进的,轻量级的技术,能够有效地为我们的远程设备长时间供电。此外,锂离子电池引入了可充电设备的可能性,电池在失去性能之前可以持续充电数百次。

2019年,约翰·b·古迪纳夫(John B. Goodenough)、M.斯坦利·惠廷汉姆(M. Stanley Whittingham)和吉野明(Akira Yoshino)因其对锂离子电池技术发展的贡献而获得诺贝尔化学奖,人们认识到了锂离子电池的广泛影响。这三位科学家的共同贡献被认为奠定了无线、无化石燃料社会的基础。

机遇和挑战
锂离子电池在许多领域都有很好的发展前景。例如,在可再生能源领域,锂离子电池储能是解决太阳能和风能间歇性问题的一种潜在方法,即只有在阳光照射或刮风时才能产生能量。例如,如果这些时间产生的多余能量可以储存在锂离子电池中,那么这些能量可以稍后被送入电网,以补偿夜间能量产生的中断。这一能力可能是向全世界广泛使用可再生能源迈出的最后一步。此外,锂离子电池储能能力的提高可以增加电动汽车的单次充电范围,这也是这项绿色技术主流化的决定因素之一。

能量储存在锂离子电池是一个潜在的解决太阳能和风能来源的间歇性。

锂离子电池的特性——充电能力,也就是所谓的“可逆性”——也可以从进一步的改进中受益。锂离子电池通过可逆的电化学反应传递能量,在此过程中锂离子从电池的一端移动到另一端。因为这种反应是可逆的,锂离子能够回到它们的初始位置,这是锂离子电池充电时发生的过程。然而,这种来回的反应并不是百分之百的有效,每一个循环都不可避免地损失一些能量。因此,随着时间的推移,锂离子电池会失去效率,开始需要更频繁的充电,最终需要更换。通过提高锂离子电池的可逆性来延长其使用寿命,特别是在电池完全不需要更换的情况下,这将对经济和环境都非常有益。

锂离子电池通过可逆的电化学反应传递能量,在此过程中锂离子从电池的一端移动到另一端。sivVector / Shutterstock.com

高熵材料的能量应用
目前有许多研究途径在寻找改善电池技术的新方法,以使绿色能源充分发挥其潜力。卡尔斯鲁厄理工学院(Karlsruhe Institute of Technology)的Ben Breitung博士和Torsten Brezesinski博士正在研究其中一种途径,他们正在开发新型的高熵材料。这些材料的特性,大多尚未开发,显示了未来的能源应用前景。

熵是一个科学的量,可以被认为是一个给定系统的无序程度的度量。根据热力学第二定律,每个系统都会自然地趋向于无序——趋向于增加熵——这是系统最稳定的地方。因此,一种材料的稳定性可以通过增加其熵或其无序性来增强。在一个由相同模式的重复的大网络构成的晶体结构中,高熵可以通过增加晶体组成中存在的化学元素的多样性来实现。例如,卡尔斯鲁厄理工学院的研究小组用锂(Li)、钴(Co)、铜(Cu)、镁(Mg)和锌(Zn)的原子取代一些镍原子,将一种简单的氧化镍(II)岩盐结构NiO改造成LiCoNiCuMgZn (of)形式的复杂晶体,而氟(F)取代了晶格中的一些氧(O)。然而,这些改变需要仔细考虑,因为晶体结构的剧烈破坏会导致最终材料的不稳定。为了生产出高熵能增强稳定性的材料,需要在各种元素和晶体结构之间实现微妙的平衡。

高熵氧化物是晶格中含有氧的复杂晶体。
https://nature.com/articles/s41467-018-05774-5

高熵材料的真正潜力来自“鸡尾酒效应”,这种效应是将大量不同元素组合成单相晶体结构的结果。每一种元素的组合都会产生一种最终的材料,这种材料有其独特的、常常是意想不到的特性和特性。这种材料的性能可能优于其本身的成分,同样的,将可可和酸橙加入到凯皮琳哈中比单独加入其中任何一种味道都好。尽管在计算上很难预测,但通过控制晶格的精确组成,可以精确地调整其性质。正是这种多功能性和可裁剪性提供了许多有前途的应用,因为原则上这些高熵材料可以被设计成具有任何特定的特性,为任何选定的应用服务。

高熵氧化物
Breitung博士和Brezesinski博士的团队最近专注于合成和研究高熵氧化物,这是一种特殊的高熵物质。高熵氧化物是一种晶格中含有氧的复杂晶体,已被证明有助于锂离子的运动,这使得它们有望用于新一代锂离子电池。

原则上,这些高熵材料可以被设计成具有任何特定的特性,服务于任何选定的应用。

在他们最近发表的一篇文章中,Breitung博士和Brezesinski博士的团队专注于一种在高能量密度电池中应用最广泛的材料,一种锂(NiCoMn)O的层状晶体结构2.(不合格品或NMC)。特别是,他们探索了在这种结构中添加不同元素是如何影响其形状和属性的。该团队能够合成这类电极材料的高熵版本,并发现,例如,在高熵晶体的形式Li(NiCoMnAlFe)1.O2.,用钠(Na)取代20%的锂增加了材料的容量,以及提高其可逆性和降低其氧化电位,所有这些都是朝向改进的阴极电池材料的重要步骤。

研究小组证明,不仅可以实现高熵版本的普通电池材料,而且这些高熵版本的性能可以通过晶体组成的微小变化来调整。因此,高熵材料的晶体组成原则上可以被有意地改变,以增强更强大和更持久的电池所需的性能。因此,Breitung博士、Brezesinski博士及其团队的工作证明,高熵氧化物为能源应用以及其他潜在应用提供了很大的设计灵活性。

基于锂离子电池组的家庭储能系统:其储能能力的提高将有利于一系列绿色技术。petrmalinak / Shutterstock.com

未来是光明的
目前,很明显,高熵材料的特性有助于能源应用,增加电池材料的容量和可逆性是很容易实现的。然而,对这些材料的研究直到最近才首次尝试,而其他晶体组成组合可能会产生在其他领域应用有用的特性。卡尔斯鲁厄理工学院的研究小组正在研究这些高熵材料的催化特性,例如,为了探索它们在太阳能电池或生物技术上的用途。此外,Miriam Botros博士和她的团队研究了高熵材料的离子输运特性,用于作为能量存储和转换设备的固体电解质。

由于整个元素周期表都可以混合和匹配到这些新的复杂晶体中,因此可能的组合几乎是无穷无尽的,而由此产生的性质,至今仍是一个谜,是不可预测的。这一新的令人兴奋的研究领域将如何改变我们的未来世界,这是无从得知的。

个人反应

高熵材料在能源领域最令人兴奋的应用是什么?

将高熵概念应用于几乎任何一类材料的可能性让它如此令人兴奋。通往广泛应用领域的道路已经铺平,但高熵概念的影响,一般来说,很大程度上是不可预测的。在能源应用方面,储能和转化以及催化似乎都是目前最有前途的。然而,由于大量可能的材料组成,传统的(实验)方法被延伸到他们的极限。然而,由高熵概念提供的大的化学参数空间允许开发新材料的元素组合和前所未有的性能,并可能导致意想不到的和令人兴奋的结果也用于其他应用。

这篇特写文章是经过特写研究小组的批准而创建的。这是一个协作的生产,由那些支持的特色,以帮助免费,全球发行。

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