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前瞻技術脈動：能源技術（202422）

關鍵字：超結構碳；能量儲存裝置；固態電池；鋰離子；電解質溶液；鋰離子電池；清潔能源；熱網路；
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科技產業資訊室(iKnow) - 技術發展藍圖研析團隊 發表於 2024年12月27日
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圖、前瞻技術脈動：能源技術（202422）
 
超結構碳：可能徹底改變能源領域的最新突破
隨著對高性能能源轉換與儲存技術需求的日益增長，對先進碳材料的需求也隨之加劇。然而，在各類設備中實現顯著性能提升仍面臨挑戰，主要原因在於難以控制組成形態不規則的微結構及製備特定碳結構的複雜性。

為應對這些挑戰，提出了超結構碳(SCC)的構想，這是一種更高效利用碳進行能量儲存與轉換的新方法，不僅具有環保效益，還展現出優於傳統材料的卓越性能。

以中國清華大學研究團隊發表於《Energy, Materials, and Devices》期刊的研究成果指出，超結構碳(SCC)提供了一種更有效利用碳進行能量儲存和轉換的新方法，具有環保效益及優於傳統材料的性能。SCC具有可客製化和高效率的特點，有革新基於碳的能源解決方案的潛力。SCC有三個關鍵特徵：精確客製化的孔洞、可自由調整的結構，以及高度耦合的界面。這些特徵可提高表面利用率、質量傳遞和電子轉移，進而改善能量儲存裝置的性能。該研究是由National Basic Research Program of China、National Natural Science Foundation of China和Taishan Scholar Project of Shandong Province資助。
參考資料：Superstructure Carbons: The Newest Breakthrough That Could Revolutionize Energy. SciTechDaily. 2024/02/29.

對固態電池中阻礙鋰離子遷移的晶界進行成像
固態電池以固態電解質取代液體有機電解質，比傳統鋰離子電池更安全、具有更高的能量密度。固態電池研發的主要問題是活性材料與固態電解質之間的界面以及固體電解質內的晶界造成鋰離子遷移的阻礙，降低了充電/放電速率和電池的能量密度。

研究團隊開發出量化跨晶界離子電導率的新技術，成功地對固體電解質內各個晶界處的離子遷移/擴散進行了成像和量化，有助於開發更高效能的固態電池。現有的離子電導率評估方法只能測量固態電解質的平均離子電導率，無法量化各個晶界的離子電導率並識別限制離子遷移的邊界。研究小組使用二次離子質譜 (SIMS)成功地對固態電解質內各個晶界處的離子遷移/擴散進行了成像和量化。冷凍SIMS技術可直接觀察鋰離子擴散，識別固態電池中存在許多成為瓶頸的界面/晶界，並確定這些障礙的原因，這種方法有助於開發更高效能的固態電池。本研究發表於Journal of Materials Chemistry A。
參考資料：Imaging grain boundaries that impede lithium-ion migration in solid-state batteries. ScienceDaily. 2024/02/27.

電解質溶液可縮短鋰離子電池的充電時間，同時在低溫下保持容量
電池供電設備的用戶普遍希望充電速度能有所提升。透過使用有機溶劑，可以顯著提高電池電解質中離子的遷移率，從而實現更快速的充電效果。

鋰離子電池已在各種應用中證明了其有用性，但這並不意味著沒有改進的空間。電池供電設備用戶希望看到的一項改進是充電速度更快。隨著冬季氣溫下降，他們也希望看到電池容量的增加。在這項新研究中，研究團隊發現了一種電解質溶液，他們聲稱可以縮短充電時間，同時防止暴露在低溫下時容量損失。團隊使用了一種名為氟乙腈的溶劑，該溶劑的分子比通常用於製造電解質的分子小得多。溶劑分子傾向於包圍鋰離子，形成殼。當殼接觸時，它們會形成一種隧道，使離子更快地穿過電解質。從而實現更快的充電。他們指出，此類溶劑還可用於防止在低至-80°C的溫度下發生容量損失。
參考資料：Electrolyte solution reduces Li-ion battery recharging time while capacity remains at low temperatures. TechXplore. 2024/03/01.

熱網路：我們需要幫助實現無碳供暖所缺乏的基礎設施
我們希望減少碳排放，但同時也必須滿足房屋的供暖需求。熱網路是一種絕緣良好的地下管道系統，能夠將清潔能源（包括核反應器）產生的熱量直接分配到家庭和其他建築物，為供暖提供可持續的解決方案。

在麥克馬斯特大學、玻爾茲曼研究所和加拿大核能協會專家的幫助下，使用非核來源熱量的類似技術已經在加拿大以區域能源系統的形式成為現實。此類系統能夠透過埋設管道有效地將熱量輸送到家庭、學校、醫院、辦公大樓、購物中心和其他建築物，大幅減少對電力和暖氣燃料的需求，並為電網騰出空間來滿足電力公司不斷增長的電力需求。就反應器而言，熱網路可以共享其有用的剩餘熱量，而不是像今天通常所做的那樣將其釋放到環境中。用於盤管的水會收集熱量，但不會與核子材料接觸，也不會受到任何污染。這意味著大型反應爐將產生更多的熱量，例如安大略省提議的新核電廠，這可以為大多倫多地區的家庭提供溫暖。(1529字；圖1)
參考資料：Thermal networks: The missing infrastructure we need to help enable carbon-free heating. TechXplore. 2024/03/01.

 

 
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