研究人员采用磁性纳米粒子从水源中提取有价值的元素 可用于电动汽车电池

盖世汽车讯 据外媒报道,利用磁性纳米粒子从卤水中捕获有价值物质的想法已成为现实,并被应用于工业级试点项目中,这可能有助于美国成为电子和能源生产中关键矿物的生产国。当前,这些矿物大多从他国获得,其中有很多是高冲突地区。

这项由美国能源部太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory,PNNL)开发、正在申请专利的技术已获得Moselle Technologie独家许可。Moselle Technologies是一家初创企业,目前在美国和全球多个地方对这项技术开展了试点项目。

核心纳米颗粒由一种称为磁铁矿的氧化铁构成。该核心颗粒用于锚定会选择性结合相关化合物的吸附剂壳,而这是获得专利技术的关键。该纳米颗粒可被引入地热厂、采出水、矿物开采废水和海水的卤水中,从而锁定在自由漂浮的目标化合物上。当暴露于磁铁后,该纳米颗粒的铁芯会像经典科学实验中的铁屑一样,向磁铁以及与其结合的关键材料一起向磁铁迁移,并从盐水中过滤掉。目前,该技术正被用于捕获多功能轻质金属锂,而锂目前被广泛应用于电池技术中。

(视频来源:PNNL)

PNNL实验室研究员、稀土金属回收技术公认专家Pete McGrail表示:“目前从水中提取锂的方法需要通过离子交换过滤系统以每分钟数千加仑的速度泵送大量水,但这非常耗能且成本高昂。而我们的纳米技术工艺可以最小化一切,且无需其他工艺中需要的大型离子交换分离器。这种方法非常简单,可在几分钟内通过与吸附剂的分子碰撞将所有的锂金属从溶液中拉出,随后用磁铁将其取出。通过磁铁,锂金属可以很容易被收集和纯化。”

(图片来源:PNNL)

Moselle Technologies首席执行官Jerry Mills表示:“人们在捕获锂金属方面损耗较多,因此需要其他方式获取锂。我们一直在寻找成本较低的、生产稀土元素和具有战略意义的重要元素(如锂)的技术。这些元素中的大部分,美国都没有。我们将竭尽所能解决这一问题,我们也相信,此项技术将帮助我们克服成本障碍。”

在本国开采关键矿物质

半导体、风力涡轮机以及电动汽车和其他绿色能源技术中使用的电池对锂、镍、钴和稀土元素的需求量很大。但是目前,这些元素的全球供应链严重依赖于过时的提取过程。该过程会消耗大量能源和水并产生有毒废物。美国能源部表示,35种关键材料中的14种以及其他17种材料的一半多,其进口量占美国本国供应的100%。目前,美国已将国内供应放在首位。该项PNNL技术已经在实验室中开发数年,现已经准备好进行现场测试。

(图片来源:PNNL)

2021年春季启动试点项目

计划中的试点项目之一是将石油和天然气行业资源与PNNL的技术相结合。McGrail表示:“石油和天然气卤水是国内尚未开发的锂资源。”

美国和加拿大的油气提取过程中,将地下水泵送到地表是开采过程的一部分。因此许多地方的水中都含有锂。PNNL科学家估计,如果仅收集石油和天然气开采生产过程中水中所含的25%的锂,其总量将相当于当前全球年产量。为探索该可能性,PNNL、Moselle Technologies、加拿大自然资源有限公司和Conoco Phillips公司将在PNNL位于华盛顿州Richland的校园内进行长期测试。在那里,团队将使用磁选机系统对技术进行延长的周期测试,从而对该技术进行压力测试,这是大规模工业生产的必要步骤。

Mills表示:“通过使用磁性纳米颗粒附着在溶液中的锂颗粒上,我们期望,所得的精矿可以更纯净,从而降低约一半以上的深加工成本。”

在竞争性申请程序后,第二个项目于1月宣布,并将通过DOE先进制造办公室2020财年计划(DOE Advanced Manufacturing Office FY20)获得资助。这项工作已获批准,将于2021年春季开始。

不止是锂

清洁、无污染的技术也可以用于回收其他关键材料。第三个合作研究项目将探索这种可能性。McGrail表示:“我们已经开发出了针对多种元素的吸附剂材料。在该项目中,我们将与新西兰地热公司Geo40合作,且该公司已确定其卤水中存在铯。在该项目中,该团队将把回收锂的工作扩展到对铯具有高度选择性的新型吸附剂上。如果成功,该集团将在新西兰建立一个小规模工厂。”

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研究人员开发新型电解质 提升锂空气电池循环稳定性

盖世汽车讯 据外媒报道,利物浦大学(University of Liverpool)、专用材料公司庄信万丰(Johnson Matthey PLC)和拉夫堡大学(Loughborough University)的研究人员合作开展了一项研究,在开发实用稳定的锂氧电池电解质方面取得重大进展。

(图片来源:利物浦大学)

锂氧(Li-O 2)电池由锂金属和多孔导电框架组成,又称锂空气电池,其电极通过空气中的氧与锂发生反应来释放能量。该技术尚处于起步阶段,但与常规锂离子电池相比,理论上可以提供更高的储能。

利物浦大学斯蒂芬森可再生能源研究所(SIRE)的Laurence Hardwick教授及其同事精心设计并开发了电解质配方,可以大大减少电池内发生的副反应,使其在更长时间内保持循环稳定性。

主要研究人员Dr. Alex Neale表示,这项研究表明,通过精确控制成分比例,可以使某些电解质成分失去反应性。“使用现有低挥发性组分来精确配制电解质,能够满足锂空气电池技术对电解质的具体要求,从而极大地提升循环稳定性和功能性。

“研究结果表明,精确了解锂离子在电解质中的配位环境,有助于显著提高锂金属电极界面上的电解质稳定性,从而提升电池的实际性能。”

拉夫堡大学化学系的Pooja Goddard博士表示:“通过计算和实验数据,我们确定了关键物理参数,使电解质相对于锂金属电极界面保持稳定。”

研究人员表示,此次的电解质设计提供了基准配方。在下一步的研究中,有助于了解和开发能够实际使用的新正极架构,从而提升转换效率,并进一步延长循环寿命。

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(图片来源:利物浦大学)

锂氧(Li-O 2)电池由锂金属和多孔导电框架组成,又称锂空气电池,其电极通过空气中的氧与锂发生反应来释放能量。该技术尚处于起步阶段,但与常规锂离子电池相比,理论上可以提供更高的储能。

利物浦大学斯蒂芬森可再生能源研究所(SIRE)的Laurence Hardwick教授及其同事精心设计并开发了电解质配方,可以大大减少电池内发生的副反应,使其在更长时间内保持循环稳定性。

主要研究人员Dr. Alex Neale表示,这项研究表明,通过精确控制成分比例,可以使某些电解质成分失去反应性。“使用现有低挥发性组分来精确配制电解质,能够满足锂空气电池技术对电解质的具体要求,从而极大地提升循环稳定性和功能性。

“研究结果表明,精确了解锂离子在电解质中的配位环境,有助于显著提高锂金属电极界面上的电解质稳定性,从而提升电池的实际性能。”

拉夫堡大学化学系的Pooja Goddard博士表示:“通过计算和实验数据,我们确定了关键物理参数,使电解质相对于锂金属电极界面保持稳定。”

研究人员表示,此次的电解质设计提供了基准配方。在下一步的研究中,有助于了解和开发能够实际使用的新正极架构,从而提升转换效率,并进一步延长循环寿命。

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研究人员开发自动驾驶汽车控制系统指导准则

盖世汽车讯 据外媒报道,研究人员为自动驾驶汽车系统开发了指导准则,以便安全地确定何时,以及如何从驾驶员手中获得车辆控制权。该指南将帮助汽车制造商规范自动驾驶协议,提高各种情况下的安全性。


(图片来源:https://www.ajudaily.com/)

自动驾驶汽车安全行驶的重要方面之一是控制权在驾驶员与自动驾驶汽车之间无缝转移。然而,由于汽车制造商和自动驾驶系统开发人员都遵循不同的规则和规范,因此很难打造标准化的系统,以决定何时,以及如何从驾驶员手中获得控制权。

日前,韩国电子通信研究院(ETRI)在一份声明中表示,其研究小组开发了指导准则和三项相关技术。研究人员进行了由458人参与的自动驾驶汽车现场测试,进行了超过1500次试验,以创建用于指导准则和技术开发的数据集。ETRI识别与交通ICT(信息和通信技术)研究部门负责人Yoon Dae-seob表示,“新开发的指导准则、技术和数据将有助于激活自动驾驶汽车相关生态,并帮助自动驾驶汽车更安全驾驶。”

新的指导准则提供各种虚拟情境,让专业研究人员和普通驾驶员能够理解控制权转移的重要性,以及何时发生。例如,当驾驶员准备切换到手动驾驶模式时,接到了重要电话。此时,车辆会决定是否继续以自动驾驶模式驾驶,还是将控制权转交给驾驶员。

研究人员还开发了DVE(驾驶员、车辆、环境)实时环境监测系统,允许车辆确定正确的控制时间;副驾驶代理系统,帮助驾驶员与车辆相互沟通;以及控制转移评估系统,利用AI实时评估驾驶员能力,并识别驾驶环境。

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研究人员开发新型人工神经元设备 有望减少自动驾驶所需计算能力和硬件

盖世汽车讯 据外媒报道,加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)研究人员开发了新型人工神经元设备,有望使训练神经网络执行任务(如图像识别或自动驾驶汽车导航等)所需的计算能力和硬件更少。与现有基于CMOS的硬件相比,该设备运行神经网络计算所使用的能量和空间要少100到1000倍。

 

(图片来源:https://scitechdaily.com/)

神经网络是一系列相互连接的人工神经元层,其中一层的输出为另一层提供输入。生成输入通过应用称作非线性激活函数的数学计算来完成。这是运行神经网络的关键部分,但是由于需要在两个独立的单元(内存和外部处理器)之间来回传输数据,应用这一功能需要大量的计算能力和电路。

研究人员开发了一种纳米大小的设备,可以有效地执行激活功能。加州大学圣地亚哥分校教授Duygu Kuzum表示,“随着神经网络模型变得越来越大、越来越复杂,硬件中的神经网络计算变得越来越低效。我们开发了单一的纳米级人工神经元设备,能以一种非常节省空间和能量的方式在硬件上实现计算。”

该装置实现了神经网络训练中最常用的激活功能之一,称为整流线性单元。这一功能的特别之处在于,需要采用能够承受电阻逐渐变化的硬件才能工作。而研究人员设计的设备可逐渐从绝缘状态转变为导电状态,而且仅需少量热量的帮助。这一转变发生在纳米级的二氧化钒层中,被称为莫特转变(Mott transition)。在这层之上是由钛和黄金制成的纳米线加热器,当电流流经纳米线时,二氧化钒层会慢慢升温,导致从绝缘状态到导电状态的缓慢的、可控的转换。

该项研究的第一作者Sangheon Oh解释称,“此种设备架构非常有趣和创新。通常情况下,由于电流直接流过材料,莫特转变的材料会经历从绝缘到导电的突然转变。为此,我们让电流通过材料顶部的纳米线来加热材料,并诱导非常渐进的电阻变化。”

为了部署该装置,研究人员首先制造了激活(或神经元)装置阵列,以及突触装置阵列。然后,将两个阵列集成在定制的印刷电路板上,并将它们连接在一起,创建硬件版本的神经网络。研究人员利用该网络处理一张图像,即加州大学圣地亚哥分校盖泽尔图书馆的图片。该网络执行称作边缘检测的图像处理,识别图像中物体的轮廓或边缘。实验表明,集成硬件系统可以执行卷积操作,这对于许多类型的深度神经网络是必不可少的。

研究人员表示,“该项技术可以进一步扩展,以完成更复杂的任务,如自动驾驶汽车面部识别和物体识别。Kuzum表示,“目前,这只是一项概念验证。这是一个很小的系统,我们只在其中堆叠了一个突触层和一个激活层。将更多层叠加在一起,就可以为不同的应用打造更复杂的系统。”

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研究人员认为:电动汽车续航里程有望达到1000公里

盖世汽车讯 对于推广电动汽车来说,续航里程不足仍是最大障碍之一。然而,一位国际知名电池研究人员表示,实现电池动力汽车赶超传统汽车,只是时间问题。

(图片来源:eenews)

据外媒报道,卡尔斯鲁厄理工学院(Karlsruhe Institute Of Technology)储能系统的负责人Maximian Fichtner认为,未来几年,动力电池将在两个特定领域取得长足进步,其一是储能材料,另外是电池结构领域。

在电池材料领域,负极材料的发展尤其喜人。据这位学者的说法,由石墨和硅构成的复合材料,可能很快取代目前占主导地位的纯石墨。因为硅的存储密度比石墨高十倍,能够显著增加电池的能量含量。

Fichtner预计,在电池结构方面,受益于新技术,相同外形可以容纳更多的储能材料。“在现有构造中,实际的活性储能材料只占电池体积的25-30%,其余都是外壳、包装和添加剂。未来的电池系统将更有效地利用安装空间,使储能材料的比例几乎翻一番。”同时,新设计方法将有助于提高能量含量,并降低成本。

Fichtner认为,在固态电池开发过程中,如果用金属锂取代石墨负极,将使续航里程提升30-40%。“因此,固态电池被视为电池研究的圣杯。”然而,这方面的研究仍存在不确定性,因为这类电池还没有实现规模化生产,具体成本也不甚明了。

今天,锂离子电池已经可以实现大规模工业化生产,生产成本大幅下降。如果使用磷酸铁锂正极材料,有可能跌破每千瓦时100美元。Fichtner表示:“这是一个神奇的门槛,低于这个门槛,电动汽车就会变得比内燃机车型便宜。”

基于所有已经或正在实现的改进措施,该KIT专家认为,不久的将来,电动汽车的续航里程或将远远超过500公里,“甚至很有可能达到1000公里。”

Fichtner认为,为了推广电动汽车,除了改进电池,还需要进一步发展充电基础设施。最重要的是,在全国范围内提供高性能的快速充电站。此外,为了给自家没有充电器的城市居民提供便利,还有很多工作要做。最后,有必要提供明确统一的收费标准。

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研究人员开发基于激光雷达的增强现实HUD 可显示被遮挡的物体

盖世汽车讯 据外媒报道,来自剑桥大学、牛津大学和伦敦大学学院(UCL)的研究人员开发了首款基于激光雷达的车用增强现实抬头显示器。原型测试表明,该项技术可以“看穿”物体,在不分散驾驶员注意力的情况下,提醒潜在危险,从而提高道路安全。

 

(图片来源:www.osapublishing.org)

与大多数抬头显示器所使用的2D挡风玻璃投影不同,该项技术基于激光雷达,并使用激光雷达数据,创建表示道路物体的超高清全息图像,并将其直接传输至驾驶员的视野。虽然该项技术尚未在汽车中进行测试,但基于从伦敦市中心繁忙街道收集的数据的早期测试显示,全息图像会根据驾驶员的实际位置出现在其视野中,从而生成增强现实。当路标等物体被大树或卡车遮挡时,此种方法尤为有用,例如,可让驾驶员能“看穿”视觉障碍物。

该研究的主要作者、剑桥大学工程系博士研究生Jana Skirnewskaja表示,“目前,抬头显示器正在被整合到联网汽车中,通常会将速度或燃油量等信息直接投射到驾驶员前方的挡风玻璃上,但是驾驶员必须一直盯着路面。然而,我们想更进一步,将真实物体呈现为全景3D投影。”

Skirnewskaja及其同事以激光雷达为基础,创建了该系统。研究人员利用激光雷达扫描Malet街,这是位于伦敦市中心伦敦大学学院校园里一条繁忙的街道。合著者Phil Wilkes是一位地理学家,通常使用激光雷达扫描热带森林,现在使用称作陆地激光扫描的技术扫描整条街道。数以百万计的脉冲从Malet街的多个位置发出。随后,激光雷达数据与点云数据相结合,创建3D模型。

Phil Wilkes表示,“通过此种方式,我们可将扫描结果结合在一起,构建完整的场景,不仅可以捕捉树木,还可以捕捉汽车、卡车、人、标志,以及典型的城市街道上的一切物体。虽然我们采集的数据来自固定的平台,但其类似于下一代自动或半自动驾驶汽车的传感器。”

Malet街的3D模型完成后,研究人员将街道上的各种物体转化为全息投影。激光雷达数据以点云的形式呈现,通过分离算法进行处理,对目标物体进行识别提取。另一种算法用于将目标物体转换为计算机生成的衍射图案。这些数据点被部署到光学装置,从而将3D全息物体投射到驾驶员的视野。

该光学装置能够在高级算法的帮助下投射多层全息图。全息投影能以不同尺寸呈现,并与其所代表的真实物体的位置保持一致。例如,隐藏的路标位于障碍物后方,全息投影会显示其实际位置,作为一种警报机制。

未来,研究人员希望使抬头显示器的布局个性化,进一步完善该系统,并开发算法,能够投射不同物体的多个层面。这些分层全息图可以自由安排,出现在驾驶员的视野中。例如,在第一层,距离较远的交通标志可以投射成较小的尺寸。在第二层,距离较近的警示牌能以较大的尺寸显示。Skirnewskaja表示,“这种分层技术提供增强的现实体验,并能自然地提醒驾驶员。每个人可能对显示选项有不同的偏好,例如,可选择将驾驶员的生命健康体征投射到抬头显示器的理想位置。”

“全景全息投影可实时显示道路物体,可有效地补充现有的安全措施。全息图像可以提醒驾驶员,但不会分散其注意力。”目前,研究人员正致力于减小全息装置所采用的光学装置的尺寸,使其能够安装到车辆中。安装完成后,研究人员将在剑桥的公共道路上进行车辆测试。

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研究人员设计出二维阵列紧密堆积的微型激光

盖世汽车讯 新光子学研究为陆军改进激光、高速计算和光通信铺平了道路。光子学有望可以以光而非电的形式存储和传输信息,从而改变电子设备的运行。研究人员称,信息可以根据不同的物理属性进行分层,再利用光速,可以提高通信速度,同时减少能源浪费。但为实现这一目标,激光等光源需要更小、更强且更稳定。

美国陆军作战能力发展司令部(U.S. Army Combat Capabilities Development Command)陆军研究实验室(ARO)项目经理James Joseph博士表示:“单模高功率激光被广泛应用于陆军重要应用中,为军人提供各种支持,如光学通信、光学传感和激光雷达测距。宾夕法尼亚大学(UPenn)的研究结果标志着向打造更加高效、现场的激光光源迈出了重要的一步。”

利用该技术分层信息的方式可能对光子计算机和通信系统产生重要影响。为了保留由光子设备控制的信息,其激光器必须十分稳定且耦合。单模激光器不仅减少光束内的噪声变化,且改善了其相干性,但结果却比含有多个同时模态的激光器亮度更暗,功率更低。

据外媒报道,宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)和杜克大学(Duke University)的研究人员在陆军的资助下,设计并制造了二维阵列的紧密堆积的微型激光,不仅具有单个微型激光的稳定性,还可以共同实现更高的功率密度数量级,从而为陆军改进激光、高速计算和光学通信铺平了道路。


(图片来源:宾夕法尼亚大学)

机器人和自动驾驶汽车是此项研究的潜在应用。机器人和自动驾驶汽车中会使用LiDAR进行光学传感和测距,以及使用激光进行制造和材料处理。此项研究的潜在应用包括采用激光雷达技术进行光学传感和测距,以及制造和材料处理。

材料科学与工程学系副教授Liang Feng博士表示:“制造高功率单模激光器的直接方法是将多个相同的单模激光器耦合在一起以形成激光器阵列,从而具有增强的发射功率。但由于耦合系统十分复杂,所以系统将具有多种超模式。而模式间的竞争会使激光器阵列的相干性降低。”

耦合两个激光器会产生两个超模式,但是随着将激光器排列在用于光子感测和LiDAR应用的二维网格中,该数量以平方倍增加。宾夕法尼亚大学的博士生Xingdu Qiao表示:“单模操作非常重要,因为只有将全部激光器锁相成一个超级模式时,激光器阵列的辐射度和亮度才会随着激光器数量的增加而增加。受物理学中超对称性概念的启发,我们可以通过添加耗散的超级伙伴(super-partner)在激光器阵列中实现这种锁相单模激光。”

在粒子物理学中,超对称性是指两个主要类别玻色子和费米子的所有基本粒子,在另一类别中都具有尚未发现的超级伙伴。用于预测每个粒子的假设超级伙伴性质的数学工具也可以用于预测激光器性质。

与基本粒子相比,制造单个微激光器的超级伙伴相对简单。其复杂性在于适应超对称性的数学变换,从而产生一个完整的具有正确能级的超级伙伴阵列,可以抵消所需的原始单模之外的所有模式。

在进行这项研究之前,超级伙伴激光器阵列只能是一维的,每个激光器元件排成一行。解决支配各个元素彼此耦合方向的数学关系后,这项新研究展示出一种具有五行五列微型激光的阵列。

参与此项目的博士后Zihe Gao表示:“当有损超对称伙伴阵列和原始激光器阵列耦合在一起时,除基本模式以外的所有超模式都将被耗散,因此,单模激光的功率和功率密度分别是原始阵列的25倍和100倍。我们设想通过将通用方案应用于更大的阵列(甚至在三个维度上),从而实现更显着的功率缩放。其背后的工程原理相同。”

研究还表明,该技术与该团队先前对涡旋激光器的研究相兼容。其中涡旋激光器可以精确地控制轨道角动量,或激光束如何围绕其行进轴螺旋旋转。控制光特性可以使光子系统以更高的密度进行编码。Feng称:“将超对称性引入二维激光阵列,可构成潜在的大规模集成光子系统的强大工具箱。”

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研究人员研发出无金属的水基电池 可有效降低电池易燃性

盖世汽车讯 电池在现代生活中发挥着重要的作用,可为笔记本电脑、电话、机器人吸尘器、助听器、起搏器,甚至是电动汽车等供电。但同时,它还存在着安全风险,并对环境造成影响。得克萨斯A&M大学(Texas A&M University)对一种特殊电池——无金属水基电池的成分进行了研究。该电池可降低标准电池的易燃性,并减少使用电池生产过程中的金属种类。

(图片来源:期刊Cell Reports Physical Science)

目前大多数电池均为包含锂和钴的锂离子电池,而锂和钴作为全球战略性资源,仅存在于某些国家,但对全球经济和美国电池制造业都非常重要。

德克萨斯A&M大学Artie McFerrin化学工程系教授兼艾仕得涂料系统(Axalta Coating Systems)主席Jodie Lutkenhaus博士表示:“这项工作为设计无金属水性电池带来可能。通过不含金属,我们可以满足全球对电池中战略金属的紧迫需求,而通过使用水性材料,我们可以用水代替易燃的挥发性电解质。”

通过使用较敏感的测量技术,即具有耗散监测功能的电化学石英晶体微天平,研究人员能够确定电极充放电时电子、离子和水是如何在电极中转移的。

Lutkenhaus表示:“通过了解这些信息,我们证明,增强的电极与水的相互作用可以改善储能性能。”虽然该电池的能量存储容量低于传统的锂离子电池,但也为将来更加可持续和不易挥发的电池铺平了道路。目前这项研究尚处于初期阶段,并具有很多实际的应用机会,其中包括作为医疗设备的可植入电池。

Lutkenhaus称:“通过使用完全不同的材料,例如我们使用的聚合物,可以完全去除锂离子电池中的金属。在这项工作中,我最喜欢的是能够深刻描绘出与该氧化还原聚合物的分子转运过程。而也是在近几年中,我们才能够在时间和规模上实现这一目标。”Lutkenhaus表示未来他们将需要找到更多与设计兼容的聚合物。她还表示:“一旦找到,我们就可生产出一种可实际应用的高性能全电芯。”

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研究人员开发新型能量吸收材料 更有效地保护驾驶员

盖世汽车讯 据外媒报道,受益于一种新工艺,士兵、运动员和驾驶员们可以过上更为安全的生活。这种工艺能够更有效地防止冲击、爆炸和振动,并提供重复性保护。


(图片来源:phys.org)

将水溶液加压插入疏水性纳米多孔材料,如沸石和金属有机框架,有助于创建高性能的能量吸收系统。

一国际研究团队对水热稳定沸石咪唑酯骨架(ZIF)结构材料进行试验,这种材料具有“疏水”笼状分子结构。该团队发现,在现实的高速负载条件下,这类系统是非常有效的能量吸收体,这与水在纳米笼中的聚集和流动有关。

该团队的研究人员分别来自伯明翰大学、牛津大学和比利时根特大学(Ghent University)。伯明翰大学的工程学讲师Dr.Yueting Sun表示:“目前,橡胶被广泛应用于减震领域。然而,通过我们开发的工艺,可以制造出一种材料,每克能够吸收更多的机械能,并且由于独特的纳米级机制,具有非常好的可重复使用性。”

在车辆发生碰撞的情况下,该材料能够有效地保护乘车人员和行人的安全。对于军用装甲车辆、基础设施及人体防护来说,这种材料也具有重要意义。“士兵和警察可以受益于更好的防弹衣和防爆服,运动员们可以用上更有用的头盔、护膝和鞋垫,因为这种材料类似于液体,易于穿戴。”

这种材料具有可重复使用性,是源于其自身的液态挤压。这种材料还可以减震,因此可用于车辆制造,使其噪音和振动频率更低,从而提供更出色的乘坐舒适性;另外,可以减少机械中的有害振动和降低噪音,降低维护成本;并可使桥梁和建筑物在地震冲击中更加稳固。

目前最先进的能量吸收材料,主要依赖于塑性变形、粘弹性耗散等过程,因此难以在多重冲击下提供有效保护。

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研究人员开发新型能量吸收材料 更有效地保护驾驶员

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(图片来源:phys.org)

将水溶液加压插入疏水性纳米多孔材料,如沸石和金属有机框架,有助于创建高性能的能量吸收系统。

一国际研究团队对水热稳定沸石咪唑酯骨架(ZIF)结构材料进行试验,这种材料具有“疏水”笼状分子结构。该团队发现,在现实的高速负载条件下,这类系统是非常有效的能量吸收体,这与水在纳米笼中的聚集和流动有关。

该团队的研究人员分别来自伯明翰大学、牛津大学和比利时根特大学(Ghent University)。伯明翰大学的工程学讲师Dr.Yueting Sun表示:“目前,橡胶被广泛应用于减震领域。然而,通过我们开发的工艺,可以制造出一种材料,每克能够吸收更多的机械能,并且由于独特的纳米级机制,具有非常好的可重复使用性。”

在车辆发生碰撞的情况下,该材料能够有效地保护乘车人员和行人的安全。对于军用装甲车辆、基础设施及人体防护来说,这种材料也具有重要意义。“士兵和警察可以受益于更好的防弹衣和防爆服,运动员们可以用上更有用的头盔、护膝和鞋垫,因为这种材料类似于液体,易于穿戴。”

这种材料具有可重复使用性,是源于其自身的液态挤压。这种材料还可以减震,因此可用于车辆制造,使其噪音和振动频率更低,从而提供更出色的乘坐舒适性;另外,可以减少机械中的有害振动和降低噪音,降低维护成本;并可使桥梁和建筑物在地震冲击中更加稳固。

目前最先进的能量吸收材料,主要依赖于塑性变形、粘弹性耗散等过程,因此难以在多重冲击下提供有效保护。

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研究人员开发全新简化工艺 将木材废弃物转化为乙醇

盖世汽车讯  据外媒报道,劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)和桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratory)的团队共同开发了一种高效的简化工艺,可将森林中过度生长的林木和农业废弃物等木本植物物质(目前被有意或无意烧掉的材料)转化为液体生物燃料。

 (图片来源:劳伦斯伯克利国家实验室) 

研究人员Carolina Barthos表示:“据最近报告,到2050年,每年将有3800万吨干木质生物质可用。这将成为异常丰富的碳源,可用于生产生物燃料。” 

然而,木材的固有特性使其难以进行化学分解。在将木质生物质转化为生物燃料方面,这会造成一定阻碍。研究人员Eric Sundstrom表示:“我们的两项研究,详细阐述了一种生物质资源低成本转换途径。我们有能力将这些可再生碳源转化为可持续燃料,从而避免发生空气污染和火灾危险。” 

在本项研究中,科学家们使用无毒化学品、商用酶和一种特殊加工的酵母菌株,在单独的反应器中将木材转化为乙醇。该团队随后进行技术和经济分析,以明确改进措施,通过这种转化途径生产乙醇,其价格相当于每加仑3美元的汽油。这是首个利用木质生物质生产乙醇的端到端工艺,具有高转换效率和简单的一锅式(one-pot)配置。 

在由联合生物能源研究所(JBEI)的John Gladden和Lalitendu Das领导的一项补充研究中,研究团队对该一锅式工艺进行微调,以便可以转化加州的木质生物质,如松树、杏树、胡桃树和冷杉树碎片。即使使用很多不同类型的木材,也可达到与现有草本生物质转化方法相同的效率。 

研究人员 Das表示:“清除森林和农业区中的木质生物质,比如塞拉山脉上密布的松树,可以同时解决多个问题,如火灾、空气污染,并减少对化石燃料的依赖。最重要的是,可以大幅减少大气中的碳排放量,为生物能源行业创造新的就业机会。”

 

乙醇已被用作传统汽油的减排添加剂,在我们注入轿车和卡车的汽油中,通常占10%左右。在一些特种车辆设计中,燃料的乙醇含量高达83%。此外,利用植物生物质生产的乙醇,可以作为原料,用于制造更复杂的柴油和喷气燃料,对于难以实现电气化的航空和货运行业来说,这将有助于脱碳。目前,最常见的生物基乙醇来源是玉米粒,这种淀粉材料更易于进行化学分解。 

研究表明,木质生物质可以有效分解,并转化为先进的生物燃料,其综合过程与淀粉基玉米乙醇相比具有成本竞争力。这些技术还可以用于生产“替代型”生物燃料,从化学意义上来看,这些燃料等同于汽油和柴油中的现有化合物。 

下一步是在试点规模上开发、设计和部署这项技术,使其每天可转化一吨生物质。伯克利实验室团队将与可再生燃料和生物化工公司Aemetis合作,以将这项技术商业化,并在试验阶段完成后大规模推出。

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 (图片来源:劳伦斯伯克利国家实验室) 

研究人员Carolina Barthos表示:“据最近报告,到2050年,每年将有3800万吨干木质生物质可用。这将成为异常丰富的碳源,可用于生产生物燃料。” 

然而,木材的固有特性使其难以进行化学分解。在将木质生物质转化为生物燃料方面,这会造成一定阻碍。研究人员Eric Sundstrom表示:“我们的两项研究,详细阐述了一种生物质资源低成本转换途径。我们有能力将这些可再生碳源转化为可持续燃料,从而避免发生空气污染和火灾危险。” 

在本项研究中,科学家们使用无毒化学品、商用酶和一种特殊加工的酵母菌株,在单独的反应器中将木材转化为乙醇。该团队随后进行技术和经济分析,以明确改进措施,通过这种转化途径生产乙醇,其价格相当于每加仑3美元的汽油。这是首个利用木质生物质生产乙醇的端到端工艺,具有高转换效率和简单的一锅式(one-pot)配置。 

在由联合生物能源研究所(JBEI)的John Gladden和Lalitendu Das领导的一项补充研究中,研究团队对该一锅式工艺进行微调,以便可以转化加州的木质生物质,如松树、杏树、胡桃树和冷杉树碎片。即使使用很多不同类型的木材,也可达到与现有草本生物质转化方法相同的效率。 

研究人员 Das表示:“清除森林和农业区中的木质生物质,比如塞拉山脉上密布的松树,可以同时解决多个问题,如火灾、空气污染,并减少对化石燃料的依赖。最重要的是,可以大幅减少大气中的碳排放量,为生物能源行业创造新的就业机会。”

 

乙醇已被用作传统汽油的减排添加剂,在我们注入轿车和卡车的汽油中,通常占10%左右。在一些特种车辆设计中,燃料的乙醇含量高达83%。此外,利用植物生物质生产的乙醇,可以作为原料,用于制造更复杂的柴油和喷气燃料,对于难以实现电气化的航空和货运行业来说,这将有助于脱碳。目前,最常见的生物基乙醇来源是玉米粒,这种淀粉材料更易于进行化学分解。 

研究表明,木质生物质可以有效分解,并转化为先进的生物燃料,其综合过程与淀粉基玉米乙醇相比具有成本竞争力。这些技术还可以用于生产“替代型”生物燃料,从化学意义上来看,这些燃料等同于汽油和柴油中的现有化合物。 

下一步是在试点规模上开发、设计和部署这项技术,使其每天可转化一吨生物质。伯克利实验室团队将与可再生燃料和生物化工公司Aemetis合作,以将这项技术商业化,并在试验阶段完成后大规模推出。

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研究人员探讨不同颜色LED的性能原理 有助于提升发光效率

盖世汽车讯 据外媒报道,新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟中心(SMART)低能耗电子系统(LEES)跨学科研究小组,与麻省理工学院(MIT)和新加坡国立大学(NUS)的研究人员发现了一种方法,可以量化在不同铟浓度下氮化铟镓(InGaN)量子阱中的成分波动状况。

(图片来源:MIT)

InGaN发光二极管(LED)以其高效、耐用、成本低的特点,给固态照明领域带来了革命性变化。通过改变InGaN化合物中的铟浓度,可以改变LED发出的光线颜色,有可能覆盖整个可见光光谱。在通信、工业和汽车应用方面,铟含量少于镓的InGaN LED,如蓝色、绿色和青色LED,获得了巨大的商业成功。然而,铟浓度较高的LED,如红色和琥珀色LED,其效率会随着铟含量的增加而下降。

由于效率下降,InGaN在红色和琥珀色光谱中性能较差。目前,红色和琥珀色LED用磷化铝铟镓(AlInGaP)材料代替InGaN制成。开发可覆盖整个可见光光谱的InGaN LED,能够大大降低生产成本。要做到这一点,首先要了解并克服效率下降的问题。

该团队采用多面化方法来探讨成分波动的根源,及其对InGaN LED效率的潜在影响。在高铟含量InGaN LED中,准确测定成分波动非常重要,有助于了解其在效率下降方面起到的作用。这种多面化方法利用协同研究来检测InGaN量子阱中的铟成分波动,将互补的计算方法、先进的原子尺度表征和图像处理自主算法结合在一起。

研究人员表示,了解InGaN在不同铟浓度下的原子分布,是开发使用InGaN LED平台的下一代全彩显示器的关键。而且,这种方法具有普遍适用性,可用于其他研究成分波动的材料科学研究。

研究发现,在铟含量相对较低的InGaN中,铟原子呈随机分布状态。另一方面,在铟含量较高的InGaN中观察到部分相分离,其中随机成分波动与一些富铟区域同时存在。

通过这些发现,可以进一步了解InGaN原子微结构及其对LED性能的潜在影响,为未来的研究铺平道路,以确定成分波动在新一代InGaN LED中的作用,并设计防止这些器件退化的策略。

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研究人员探讨钙钛矿材料的表面性质 有助于提升制氢解决方案

盖世汽车讯 水分解制氢是常见的制氢方法,其中的一个关键步骤是析氧反应(OER)。OER可将分子氧从水中释放出来,这一过程通常较为缓慢,不仅对生产氢气很重要,对其他很多化学过程也具有重要意义。

(图片来源:阿贡实验室)

据外媒报道,由美国能源部阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的科学家领导的一项研究表明,钙钛矿氧化物能够发生形态演变,有望加速OER。钙钛矿氧化物中含有一系列具有相似晶体结构的化合物,通常包括碱土金属或稀土元素,如在分子式ABO3中,A位中的La和Sr,以及B位中的Co等过渡金属,与氧相结合。这项研究有助于设计新材料,这些材料可用于制造可再生燃料,也可用于储能。

钙钛矿氧化物可以促进OER,与起到同样作用的贵金属(如铱或钌)相比,更具成本效益。然而,钙钛矿氧化物不像这些金属那样活跃(换句话说,加速OER反应的效率),而且往往会缓慢地发生降解。研究负责人Pietro Papa Lope表示:“了解如何使这些材料保持活跃和稳定,是我们的主要动力之一。我们想探索这两种特性之间的关系,及其与钙钛矿本体性质之间的联系。”

以往重点研究的是钙钛矿材料的整体性质,及其与OER活性之间的关系。现在,研究人员想要进一步探索材料的表面性质,即它与周围环境发生反应的地方,可能与其他部分完全不同。想象一下,一个被切成两半的鳄梨,与空气接触的地方很快就会变色,但里面仍然好好的。对于了解钙钛矿材料的性质,这可能产生重要影响。

在将水分解为氢和氧的水电解槽系统中,钙钛矿氧化物与由水和特殊盐类构成的电解质相互作用,形成支持设备运行的界面。当施加电流时,该界面对于激发水分解过程起着关键作用。Lopes表示:“材料表面是影响析氧反应的最关键因素,比如需要多少电压,以及将产生多少氧气和氢气。”

 

在电化学循环过程中,氧化镧钴钙钛矿的表面演化是通过A位溶解和氧晶格演化形成的,形成了一种具有析氧活性的无定形薄膜。

钙钛矿氧化物的表面与其他材料不同,还会随着时间的推移发生变化。研究人员表示,一旦进入电化学系统,钙钛矿表面就会演变成一层薄薄的无定形薄膜,与初始材料有所不同。

研究人员将理论计算和实验相结合,以确定在OER过程中钙钛矿材料表面是如何演变的。为了得到精确的结果,他们研究了镧钴氧化物钙钛矿,并在镧中掺入更活跃的金属锶,对其进行调整。在初始材料中添加的锶越多,表面演化越快,对OER的活性更强。研究人员使用透射电子显微镜,在原子分辨率下观察到了这一过程。研究人员发现,钙钛矿中的锶溶解和氧损失,促进无定形表面层形成。

为了解这些钙钛矿材料活跃的原因,最后要探讨少量铁在电解质中起到的作用。研究人员发现,痕量铁可以促进其他无定形氧化物表面的OER。明确了钙钛矿表面会演变成无定形氧化物,就可以明白为什么铁如此重要。

研究人员Peter Zapol表示:“科学家借助于计算研究,了解钙钛矿表面和电解质的有关反应机制。我们重点研究了主导钙钛矿材料活性和稳定性趋势的反应机理。这与以往的计算研究不同,以前通常只关注主导活性的反应机制。

研究发现,钙钛矿氧化物的表面演变成仅几纳米厚的富钴无定形薄膜。当电解质中含有铁时,有助于加速OER,而富钴膜对铁具有稳定作用,能使其在表面保持活跃。

这为设计钙钛矿材料提供了新途径,比如开发更加稳定、更能促进OER的双层系统。

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研究人员开发出新型聚合物膜 可提高EV电池性能

盖世汽车讯 就电池和燃料电池能量技术而言,允许某些分子快速通过并阻止其他分子通过的膜对于提炼和水净化非常重要。例如,将电池两端分开的膜可防止短路,同时也可以传输带电粒子或离子,保持电流流动。

对穿透物具有特别标准的选择性膜(selective membranes)会对电池中的工作离子的渗透率很低,从而降低电池功率和能效。为避免在选择性和渗透性之间取舍,研究人员正在开发能够增加膜内离子的溶解度和迁移率的方法,从而使更多离子更快速地通过膜,进而提高电池性能并改善其他能源技术。

最近,研究人员设计出一种聚合物膜,并在其孔隙中内置锂盐中带正电离子的分子笼。这些分子笼被称为“溶剂笼”,由分子组成,可作为每个锂离子周围的溶剂,就像食盐溶解于液态水时,水分子围绕着每个带正电的钠离子一样。由美国能源部(DOE)劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的研究人员领导的研究小组发现,与标准膜相比,溶剂笼可使锂离子通过膜的流量增加一个数量级。此外,它还可以使高压电池电芯具备更高的功率和效率,这对于电动车辆和飞机非常重要。

(图片来源:Berkeley Lab)

项目负责人、Berkeley Lab分子工厂(Molecular Foundry)科学家Brett Helms表示:“虽然一直可以在较短尺度上配置膜的孔,但直到现在才可以设计出能从复杂混合物中结合特定离子和分子的位点,从而使这些离子和分子以高速率选择性地扩散到膜中。”

为精确可以溶解锂离子的膜中笼的设计,Helms及其团队研究了一种广泛应用的药物开发过程。在该过程中,研究人员通常会建立和筛选具有不同结构的大量小分子库,从而明确与目标生物分子结合的分子。与此方法相反,该小组假设,通过构建和筛选具有不同孔结构的大型膜库,他们可以识别出能暂时容纳锂离子的笼子。从概念上讲,膜中的溶剂笼类似于小分子药物靶向的生物结合位点。

Helms的团队设计出一种简单而有效的策略,可针对不同长度的不同聚合物膜提供功能和结构多样性。这些策略包括设计具有不同锂离子溶剂强度的笼子,以及将笼子布置在相互连接的孔网中。Helms表示:“在此之前还没有人采取多样性导向的方法来设计多孔膜。”

利用这些策略,Helms研究小组的研究员Miranda Baran博士在Molecular Foundry系统地准备了一个大型潜在膜库。Miranda Baran及其合著者对每个膜进行了筛选,确定那些拥有特定形状和结构且孔最适合选择性捕获和运输锂离子的膜为最合适的膜。随后,Baran又与太平洋西北国家实验室的DOE用户设施环境分子科学实验室的Kee Sung Han和Karl Mueller合作,采用先进核磁共振技术,揭示电池聚合物膜中锂离子的流动情况。

当谈及负带电离子在进入膜与锂盐结合时,Baran表示:“结果令人震惊。溶剂笼不仅增加了膜中锂离子的浓度,而且锂离子扩散速度也比其抗衡阴离子快。”笼中锂离子的溶剂有助于形成阻止阴离子流动的膜。

为进一步了解新膜形成的分子原因,研究人员与博士后Artem Baskin合作,利用Berkeley Lab国家能源研究科学计算中心(NERSC)的计算资源进行计算,确定当锂离子与膜孔中的笼子结合时形成的溶剂化作用的精确性质。与没有溶剂笼的标准膜相比,这种溶剂化作用使锂离子在新膜中的浓度更高。

最后,研究人员研究了该膜在实际电池中的性能,并确定在电池充放电过程中,锂金属电极上的锂离子容纳或释放的难易程度。他们使用Berkeley Lab高级光源(Advanced Light Source)的X射线工具观察到锂离子在改进电池中的流动过程,其中,该电池电极被新膜隔开。X射线图像显示,与使用标准膜的电池相比,锂离子在电极上平滑且均匀地沉积。结果表明若膜中存在溶剂笼,电池充放电可以更加快速有效。

通过以多样性为导向的方法筛选潜在膜,研究人员创建出一种新材料,可在不牺牲选择性的情况下快速运输离子。加州大学伯克利分校领导的DOE能源前沿研究中心(Energy Frontier Research Center)清洁能源技术相关气体分离中心也支持了此项研究的部分工作,包括成分分析、气体吸收和X射线散射测量。

Berkeley Lab团队未来将扩展膜库并对其进行筛选,提高清洁能源技术中其他离子和可能分子的传输性能。Helms表示:“我们还看到了以多样性为导向的合成和数字留结合的可能性,通过自主试验加快先进膜的开发。”

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研究人员开发新型锰基正极材料 使锂电池充放电次数翻倍

盖世汽车讯 据外媒报道,由香港城市大学(CityU)的科学家领导的联合研究小组开发出一种更稳定的锰基正极材料。与现有钴和镍正极材料相比,新材料的容量更高,更加耐用。即使充放电次数增加一倍,也能保持90%的容量。这一发现为开发低成本、高效的锂离子电池锰基正极材料提供了启示。

(图片来源:香港城市大学)

开发锰基正极材料的技术瓶颈:容量保持率低

目前,锂离子电池使用的正极材料大多含有钴和镍,这两种元素储量不丰富,而且在开采过程中易污染环境。因此,科学家们正在寻找替代型正极材料,例如锰。

在领先锰基候选材料中,LiMnO2成本较低,更环保,而且理论容量更大。但是,这种材料在充放电循环中稳定性差,可能发生颗粒破碎、结构迅速退化和严重的锰溶解,导致电池容量大幅下降,并影响耐久性,使其在商业化锂离子电池中的应用受到阻碍。 

 

需要克服姜-泰勒畸变

香港城大物理学系助理教授刘奇博士指出,锰基材料结构不稳定的主要原因,在于原子结构中发生的姜-泰勒畸变(Jahn-Teller distortion)。在电池放电时,LiMnO2中的Mn-O键被拉长,称为姜-泰勒畸变。由于Mn3+ 的电子轨道存在长程共线轨道有序性,因此产生了很强的协同姜-泰勒畸变,很容易使原子结构变形。

研究团队将界面工程应用于原子结构,以解决这一问题。通过扰乱长程共线轨道有序性,防止出现大规模的姜-泰勒畸变。

 

通过界面工程提高结构稳定性

该团队通过原位电化学转换尖晶石Mn3O4纳米墙阵列,制备了尖晶石层状(异质结构)LiMnO2。研究发现,尖晶石和层状晶界之间的电子轨道几乎相互垂直,导致界面轨道有序化。刘博士表示:“这干扰了长程共线轨道有序性,因此抑制了姜-泰勒畸变。”

实验结果表明,异质结构设计有效地抑制了姜-泰勒畸变。层状和尖晶石相的畸变度分别只有2.5%和5.5%,而层状LiMnO2和尖晶石LiMnO2的畸变度要大得多,分别为18%和16%。这意味着异质结构LiMnO2的结构稳定性更高。研究小组还发现,尖晶石相和层状相的体积变化相互抵消,从而减少材料的总体积变化。因此,该材料表现出优异的结构稳定性。

实现长循环寿命

刘博士表示:“目前应用于智能手机等电子产品的LiCoO2正极材料的容量约为165mAh/g,而我们的LiMnO2正极材料容量更高,已经达到了254.3 mAh g−1。商用LiCoO2材料很难在1000次循环后保持90%的容量。我们的材料经过2000次循环后,容量保持率高达90.4%,并且循环寿命超长。”

这是首个通过调控界面轨道有序化来抑制姜-泰勒畸变的团队。这种新方法将促进开发可持续富锰正极材料,并推动其在可持续和商业化储能装置中的应用。刘博士总结道:“我们期待降低储能技术成本,促进能源结构向可持续化发展。我们的材料有望替代目前的商业化钴材料,用于电子和电动汽车等应用。”

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(图片来源:香港城市大学)

开发锰基正极材料的技术瓶颈:容量保持率低

目前,锂离子电池使用的正极材料大多含有钴和镍,这两种元素储量不丰富,而且在开采过程中易污染环境。因此,科学家们正在寻找替代型正极材料,例如锰。

在领先锰基候选材料中,LiMnO2成本较低,更环保,而且理论容量更大。但是,这种材料在充放电循环中稳定性差,可能发生颗粒破碎、结构迅速退化和严重的锰溶解,导致电池容量大幅下降,并影响耐久性,使其在商业化锂离子电池中的应用受到阻碍。 

 

需要克服姜-泰勒畸变

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研究团队将界面工程应用于原子结构,以解决这一问题。通过扰乱长程共线轨道有序性,防止出现大规模的姜-泰勒畸变。

 

通过界面工程提高结构稳定性

该团队通过原位电化学转换尖晶石Mn3O4纳米墙阵列,制备了尖晶石层状(异质结构)LiMnO2。研究发现,尖晶石和层状晶界之间的电子轨道几乎相互垂直,导致界面轨道有序化。刘博士表示:“这干扰了长程共线轨道有序性,因此抑制了姜-泰勒畸变。”

实验结果表明,异质结构设计有效地抑制了姜-泰勒畸变。层状和尖晶石相的畸变度分别只有2.5%和5.5%,而层状LiMnO2和尖晶石LiMnO2的畸变度要大得多,分别为18%和16%。这意味着异质结构LiMnO2的结构稳定性更高。研究小组还发现,尖晶石相和层状相的体积变化相互抵消,从而减少材料的总体积变化。因此,该材料表现出优异的结构稳定性。

实现长循环寿命

刘博士表示:“目前应用于智能手机等电子产品的LiCoO2正极材料的容量约为165mAh/g,而我们的LiMnO2正极材料容量更高,已经达到了254.3 mAh g−1。商用LiCoO2材料很难在1000次循环后保持90%的容量。我们的材料经过2000次循环后,容量保持率高达90.4%,并且循环寿命超长。”

这是首个通过调控界面轨道有序化来抑制姜-泰勒畸变的团队。这种新方法将促进开发可持续富锰正极材料,并推动其在可持续和商业化储能装置中的应用。刘博士总结道:“我们期待降低储能技术成本,促进能源结构向可持续化发展。我们的材料有望替代目前的商业化钴材料,用于电子和电动汽车等应用。”

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研究人员把木头变成塑料 或用于汽车制造

盖世汽车讯 塑料是地球上最大的污染源之一,需要数百年的时间才能自然降解。据外媒报道,耶鲁大学环境学院(YSE)和马里兰大学(University of Maryland)的研究人员,利用木材副产品制造出更耐用、更可持续的生物塑料,以解决全球最紧迫的环境问题之一。


(图片来源:耶鲁大学)

耶鲁大学环境学院(YSE)的助理教授Yuan Yao和马里兰大学材料创新中心的教授Liangbing Hu等人合作进行研究,将天然木材中的多孔基质解构为浆料。研究人员表示,所制造的生物质塑料表现出很高的机械强度和容纳液体时的稳定性,以及抗紫外线能力,还可以在自然环境中回收或安全地生物降解。与石油基塑料和其他可生物降解塑料相比,其生命周期环境影响较小。

Yao表示:“我们开发出一种简单明了的制造工艺,可以利用木材生产生物基塑料,同时具有良好的机械性能。”

为了制造浆料混合物,研究人员以木屑(木材厂的加工残渣)为原料,并利用一种可生物降解、可回收的深共晶溶剂(DES),对粉末中松散的多孔结构进行解构。在所得到的混合物中,由于再生木质素和纤维素微/纳米纤维之间的纳米级纠缠和氢键作用,材料具有高固体含量和高粘度,可以进行浇铸和轧制,而不发生破裂。

研究人员随后进行了全面的生命周期评估,以测试生物塑料与普通塑料对环境的影响。结果显示,将生物塑料片材埋在土壤中,材料于两周后破碎,并在三个月后完全降解;此外,研究人员表示,还可以通过机械搅拌,将生物塑料重新分解为浆料,从而回收和重复使用DES。Yao表示:“这种塑料的优点在于可以完全回收或生物降解。我们已经最大限度地减少了流入大自然的材料垃圾。”

Liangbing Hu教授表示,这种生物塑料应用广泛,比如可以模制成一层薄膜,用于塑料袋和包装。这是塑料的主要用途之一,也是产生垃圾的原因之一。另外,研究人员表示,这种生物塑料可以模制成不同形状,因此也有望应用于汽车制造。

该团队将继续探讨扩大生产规模对森林的影响,因为大规模生产可能需要使用大量木材,在森林、土地管理、生态系统和气候变化等方面,或将产生深远影响。研究小组已经与森林生态学家合作创建森林模拟模型,将森林生长周期与木质塑料制造过程联系起来。

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研究人员开发柔性有机光伏电池 成本低/更具灵活性

盖世汽车讯 研究人员表示,未来的光伏电池可能“穿”在衣服上,置于汽车上,甚至可以出现在海滩雨伞上。

(图片来源:techxplore)

据外媒报道,米兰理工大学( Politecnico di Milano)、埃尔朗根-纽伦堡大学(University of Erlangen-Nuremberg)和伦敦帝国理工学院(Imperial College London)的研究人员共同进行研究,重点是通过柔性有机技术制造光伏电池。目前最流行的基于有机硅技术的光伏电池呈刚性,需要使用复杂而昂贵的基础设施来制造,而且处理成本很高。

未来取代硅的一种选择方案是“塑料”太阳能电池。在这种电池中,通过由两种有机半导体(一种是电子供体,另一种是电子受体)构成的混合物,来吸收光能并将其转化为电能。采用有机分子具有若干优势,如工艺简单,生产和处理成本更低,具有机械灵活性,同时可以充分利用有机材料的化学多样性。然而,有机材料比结晶无机材料(如硅酮)具有更复杂的物理特性,尤其是在供体-受体界面发生的电荷转移过程中,会引起效率损失。

经过四年的工作,研究人员成功地用新材料制造出太阳能电池,使因界面状态引起的损失降至最低。通过超短激光脉冲来研究这些材料,确定了产生这种卓越性能背后的物理原因,并提出适用于其他材料组合的通用优化模型。基于有机技术的光伏电池,未来将成为一种成本更低的能源,而且对环境的影响更小。得益于机械上的灵活性,这种电池可以整合至各种日常用品中,比如窗户、汽车,甚至衣服和外套。

开发清洁的可再生能源,是人类未来面临的关键挑战之一。地球的主要能源是阳光,太阳每天提供的能量是人类所需的100倍以上,因此光伏技术将成为未来最有前途的技术之一。

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研究人员发现锂析出相关物理机制 或将电动汽车充电速度提升5倍

盖世汽车讯 对电动汽车推广来说,电池充电时间是重要的限制性因素。据外媒报道,犹他大学(University of Utah)化学工程助理教授Tao Gao进行的一项最新研究,为开发快速充电电池打开了大门。

(图片来源:犹他大学)

锂离子电池的能量密度高、重量轻、寿命长,因此在电动汽车领域得到广泛应用。

然而,锂离子电池的充电速度受到“锂析出”(lithium plating)现象的影响。当锂离子过快地注入石墨颗粒中时,便会发生这种副反应。研究人员将锂离子电池的运行过程比作在桌上打来打去的乒乓球。在充电过程中,锂离子像“球”一样从正极移动到负极,其移动速率几乎等同于充电速度。当锂离子移动太快,电池中的石墨颗粒无法捕捉到锂离子时,就会发生锂析出。在充电过程中,这可能导致电池着火或爆炸,因此使充电速度受到限制。此外,这还会严重影响电池的性能,缩短电池的使用寿命。

这一发现揭示了在电池充电过程中控制石墨颗粒锂析出现象的重要物理机制,并有助于预测电池运行时的锂析出行为。Gao表示:“我们设计了一个实验,可以直观地显示充电时负极的状态。我们能看到负极中的石墨颗粒材料,并实时观察电池充电过程中发生的情况。现在,我们了解到其中的物理原理,为解决此类问题并提高电池充电性能提供了方向。”

研究人员认为,这一发现有助于开发新的技术,使汽车电池充满电的速度比正常情况快5倍,可能只需10多分钟,同时不存在降解过快等风险。通常情况下,使用最快的充电器为智能手机充电,需要半个多小时,现在也可以在10分钟内充满电。

研究人员表示,有望在3-5年内看到更好的手机电池,在5-10年内可以在电动汽车上看到更好的电池。

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研究人员探讨锂金属电极老化概况

盖世汽车讯 哪怕手机关机了,电池最后也会没电的。在远距离电动汽车使用的锂金属池中,也存在同样的问题。据外媒报道,斯坦福大学(Stanford University)和美国能源部SLAC国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)的科学家们,首次从原子层面观察这种被称为“存储老化”(calendar aging)的过程如何攻击锂金属负极。研究人员发现,在电池老化过程中,在两个电极之间携带电荷的电解液具有很大的影响力。

(图片来源:SLAC)

研究显示,经过短短24小时,存储老化就可以消耗锂金属电池2-3%的电量。而在锂离子电池中,这需要三年的时间。尽管这种电荷损失的现象会逐渐减缓,但累加起来可能使电池寿命缩短25%。SLAC和斯坦福大学教授 Yi Cui表示:“我们的研究表明,电解液对存储电池的稳定性影响很大。”

与锂离子电池一样,锂金属电池通过锂离子在电极之间来回运送电荷。然而,锂离子电池的负极用石墨制成,而锂金属电池的负极是由锂金属制成。相比之下,锂金属电池要轻得多,而且在既定体积和重量下,有可能储存更多的能量。对于电动汽车来说,这具有重要意义,有助于降低成本,并增加续航里程。

下一代锂金属电池经历快速的存储老化,即使不使用电池,也会耗尽电量,并降低其储存能量的能力。

美国能源部的电池500联盟(包括SLAC和斯坦福在内)的目标是开发可用于电动汽车的锂金属电池,使其重量能量密度大约达到现有电池的三倍。他们在提高电池能量密度和寿命方面取得了很大进展,但仍有很多问题有待解决,如负极上的枝晶生长问题,可能导致电池短路并着火。

过去几年,研究人员一直在寻找解决这些问题的方案,包括防止锂金属负极生长枝晶的新涂层,以及一种能防止枝晶生长的新电解液。研究人员David Boyle表示,这方面的研究大多集中在如何减少反复充放电造成的损害上,因为反复充放电会使电极产生应变和裂纹,影响电池的工作寿命。在本项研究中,研究小组希望,通过测试各种具有不同化学成分的电解液,了解锂金属负极老化的概况。

首先,Boyle测量了含不同电解液的锂金属电池的充电效率。然后,研究人员小心翼翼地拆卸已充满电的电池,静置一天后取出负极,使其在液氮中速冻,以保留其在存储老化过程中特定时间点的结构和化学成分。接下来,使用低温电子显微镜(Cryo-EM)检测负极,以观察各种电解质在接近原子的尺度上对负极的影响。这是Cui的团队在几年前首创的一种方法,用于研究电池组件的内部活动状态。

每次锂金属电池充电时,负极上都会沉积一层新的锂金属。电解液会腐蚀这种新金属面(左),在负极表面形成SEI层。                    研究显示,即使不使用电池,腐蚀仍在继续(右),经过存储老化,SEI层变得不规则和结块。

在目前的锂离子电池中,因为电解液腐蚀,负极表面会形成固体电解质界面膜(SEI),这会消耗少量的电池容量,但能保护负极不受进一步的腐蚀。总的来说,平滑、稳定的SEI层有利于电池正常工作。但锂金属电池充电时,负极表面都会沉积一层薄薄的锂金属,为存储老化过程中的腐蚀提供新的表面。在测试过程中,每种电解液都会导致产生一种独特的SEI生长模式,有些会形成块状或薄膜,或者两者兼而有之。这些不规则的生长模式与腐蚀速度加快和充电效率损耗相关联。

与预期相反,与表现不佳的电解液一样,原本支持高效充电的电解液也会因存储老化而出现效率下降。因此,要最大限度地减轻存储老化现象,其挑战在于将电解液的腐蚀性和负极表面锂金属的腐蚀程度降至最低。研究人员表示:“真正重要的是,我们拥有了一种新的电解质研究方式。这为获得下一代电池技术所需的参数,提出了一种新的电解质设计准则。”

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研究人员开发出新型结构电池 性能提升十倍

盖世汽车讯 据外媒报道,查尔姆斯理工大学与瑞典皇家理工学院(KTH)合作研发出一种新型结构电池,性能是之前结构电池的10倍。该电池使用了碳纤维材料,并将其同时用于电极、导体和承重材料中。其成功研发为汽车和其他技术实现真正的“无质量(massless)”能量存储铺平了道路。

电池重量在电动汽车的总重中占比很大,且无任何承重功能。而结构电池既可以提供动力,也可以作为汽车的结构部件。这种电池就是“无质量”能量存储,即当电池可作为承重结构部件时,其质量可以忽略不计。计算结果表明,这种多功能电池可大大减轻电动汽车的重量。查尔姆斯理工大学已对结构电池进行了多年研究,之前还发现了很多其他类型的碳纤维,它们不仅坚固强大,且具有良好的化学储能能力。

2007年,研究人员首次尝试开发结构电池,可迄今为止也未研发出兼具良好电气性能和机械性能的电池。但最近,结构电池研发取得实质性进展。查尔姆斯理工大学与瑞典皇家理工学院(KTH)合作研发出一种结构电池,能量存储、刚度和强度均超出现有产品,其多功能性能是之前结构电池的10倍。

(图片来源:查尔姆斯理工大学)

该电池的能量密度为24 Wh / kg,是现有同类锂离子电池容量的20%。由于该结构电池可大大减轻车辆的重量,因此驱动电动汽车所需的能量也相应减少。此外,低能量密度也提高了车辆安全。该结构电池的刚度为25 GPa,可与许多常用建筑材料媲美。

查尔姆斯理工大学教授、该项目负责人Leif Asp表示:“之前研发的结构电池电芯要么具备良好的机械性能,要么具备良好的电气性能。但通过使用碳纤维,我们成功设计出兼具良好存储能力和刚性的结构电池。”

新型结构电池的负极由碳纤维制成,正极由涂有磷酸锂的铝箔制成,正负极由电解质基质中的玻璃纤维织物隔开。尽管使用碳纤维使得电池性能提高了10倍,可研究人员并未选择继续打破该记录,而是研究并了解材料结构和隔板厚度所带来的影响。

目前,由瑞典国家航天局(Swedish National Space Agency)资助的新项目正试图进一步提高该结构电池的性能。他们将使用碳纤维取代正极中的铝箔,并作为承重材料,提高刚度和能量密度。此外,他们还将使用超薄玻璃织物替代之前的玻璃织物,进一步提高刚度与能量密度,同时缩短充电周期。新项目预计在两年内完成。

同为此项目的领导者Leif Asp预计这种结构电池未来可提供75 Wh/kg的能量密度和75 GPa的硬度,像铝一样坚固,但要轻得多。Leif Asp表示:“下一代结构电池具有巨大潜力。基于当前消费类产品技术,未来几年,智能手机、笔记本电脑和电动自行车的重量很可能仅为现在的一半,且更加小巧。”从长远来看,结构电池未来还将可能为电动汽车、电动飞机和卫星供电。

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研究人员使用真实数据仿真 优化自动驾驶车队部署

盖世汽车讯 据外媒报道,为优化城市自动驾驶车队部署,帝国理工学院的研究人员使用真实数据进行了仿真测试,其结果显示了自动驾驶(AV)车队对拥堵、排放、公共交通和共享乘车的潜在影响。

该团队使用真实数据、一系列服务参数以及车队管理算法分析了成千上万种可能的部署场景,目的是确保此类服务可以更加高效运行,并且实现盈利,以及减少对其他交通方式的连锁反应,如主动和可持续出行,同时将该城市街道部署方案推向全球。

(图片来源:帝国理工学院)

帝国理工学院土木与环境工程系的运输系统与物流实验室(TSL)的研究人员与自动驾驶汽车软件公司Oxbotica合作开展了一个项目。该项目名为SHIFT,通过创新英国(Innovate UK)交付,并获得了由互联及自动驾驶汽车中心(Centre for Connected and Autonomous Vehicles)资助的158万英镑,。

伦敦交通局(TfL)还提供数据,帮助理解如何在伦敦不同地区采用不同的方式部署自动驾驶汽车,以及是否有必要在特定区域部署自动驾驶汽车,对支持伦敦市长交通战略的核心目标:2041年城市绿色出行比例(步行、自行车和公共交通)达到80%,改善伦敦空气质量。

为未来做好准备

帝国理工团队公布了SHIFT自动驾驶部署报告,涵盖了仿真的具体细节、首创的驾驶员安全指南以及AV研发手册和数据基础结构框架,从而帮助操作员在英国进行大量的AV部署演示。

帝国理工学院运输系统与物流系Panagiotis Angeloudis博士表示:“部署AV技术可能会改变全球城市的出行方式。借助SHIFT项目,我们有机会更详细地研究AV对其他交通方式的潜在影响。运用我们开发的工具,利益相关者可以更好地规划AV技术部署,并为未来做好准备。”

该团队基于过去几十年对乘客行为的研究,使用现有道路网络和真实出行需求模式的数据对AV车队的影响进行建模。比如,若考虑到价格、便利性和出行时间,人们会如何选择出行方式。

随着时间的推移,由于AV可能不再需要驾驶员,实现全天运行,因此可能会出现空跑,从而造成能源浪费并增加交通拥堵。该团队开发的算法可帮助优化车队运营,确保在正确区域里运行合适的车辆数量,从而避免能源浪费。该团队还对AV电动化的影响进行仿真测试,展示了减少道路运输排放的方法。

数字孪生

项目研究人员之一、帝国理工学院交通和环境系高级讲师Marc Stettler博士表示:“正确管理AV车队可最大程度地减少能源消耗和对环境的影响。我们希望通过增加潜在乘客上座率并避免车找人,减少汽车运行公里数。”

该团队表示其仿真可提供操作环境的“数字孪生”,且无需等待新技术研发和部署即可测试不同场景。因此,它还可以解决其他交通问题,如实现其他公共交通工具(城市公共汽车)的电气化、自动驾驶空中出租车部署等未来发展。

Angeloudis博士表示:“在城市中部署大量AV车队是为了减少私家车数量和释放道路空间。想要公众选择这种出行方式,此类车队需要定价合理且满足公众的需求。为此,应高效管理车辆,使其部署与用户需求保持一致,同时减少拥堵和排放。我们的模型将帮助车队运营商满足上述需求,从而使城市居民获益。”

投资部长Lord Grimstone表示:“自动驾驶汽车具有巨大的潜在经济和环境效益。在英国的繁忙城市中安全部署该技术非常重要。SHIFT的指导方针为自动驾驶汽车上路铺平了道路,并进一步证明,随着我们在疫情期间所做的环保工作,英国在未来自动驾驶领域具有全球领导地位。”

TSL团队将专注于将其仿真技术应用到使自动驾驶汽车安全部署中。

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研究团队开发半固态电极 防止下一代锂电池短路

盖世汽车讯 为了突破电池设计界限,在既定空间或重量中容纳越来越多的电力和能量,研究人员正在探讨一项更有前途的技术,在锂离子电池的两个电极之间采用固态电解质材料,而不是电解液。

(图片来源:MIT)

然而,这类电池一直存在一个问题,即其中一个电极上会形成金属枝晶,最终连接电解质,使电池短路。据外媒报道,麻省理工学院(MIT)等院校的研究人员现已找到一种防止枝晶形成的方法,有望提升这种新型高功率电池的潜力。

麻省理工学院参与此项研究的人员包括研究生Richard Park、教授Yet-Ming Chiang和 Craig Carter等人,其余研究人员分别来自德克萨斯农工大学(Texas A&M University)、布朗大学(Brown University)和卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)。

固态电池兼具安全性和能量密度,因此这一技术备受关注。但研究人员Yet-Ming Chiang表示:“唯一能实现能量密度的方法是使用金属电极。”将金属电极与液体电解质耦合,可以获得良好的能量密度,但比起固态电解质,无法获得相同的安全优势。固态电池只有使用金属电极才有意义,但这类电池的开发受到枝晶生长的阻碍,枝晶体最终会填充两个电极板之间的缝隙,导致电池短路。众所周知,在快速充电的情况下,通常电流越大,枝晶形成得越快。目前,实验固态电池所能达到的电流密度,远低于商用可充电电池的需求。但研究人员认为,其发展前景良好,因为这种实验版电池可以存储的能量几乎是传统锂离子电池的两倍。

该团队采取在固态和液态之间折衷的方法来解决枝晶问题。研究人员制作半固态电极,与固态电解质材料相接触。半固态电极可以在界面上提供一种自我修复表面,而不是固态脆性表面,后者可能导致微小的裂缝,为枝晶形成埋下伏笔。

这一灵感来自实验性的高温电池,其中一或两个电极由熔融金属构成。据介绍,这种熔融金属电池能达到数百摄氏度的温度,无法用于便携式设备。但通过这项工作确实可以看出,液体界面可以实现高电流密度,而不会形成枝晶。研究人员Richard Park表示:“出发点是开发基于精心挑选的合金的电极,以便引入一种可以作为金属电极的自我修复组件的液相。”

与其说这种材料是液体,不如说它是固体,但类似于牙医用来填充龋洞的汞合金固体金属,仍然能够流动和成形。在这种情况下,它由钠和钾的混合物制成,在正常的电池工作温度下,处于一种既有固相又有液相的状态。研究小组证明,在不形成任何枝晶的情况下,该系统的运行电流可能比使用固态锂大20倍。下一步将用实际的含锂电极来复制这种性能。

在第二个版本的固态电池中,研究小组在固态锂电极和固态电解质之间引入一层非常薄的液态钠钾合金。结果表明,该方法也能克服枝晶问题,为进一步研究提供了另一种途径。

研究人员表示,这种新方法适用于很多不同版本的固态锂电池。该团队下一步将展示该系统对各种电池架构的适用性。

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研究团队开发新型机械超材料 超轻/防止变形

盖世汽车讯 据外媒报道,盖世汽车讯 据外媒报道,加州大学欧文分校(University of California, Irvine)和佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的工程师们开发了一种新型机械超材料,可以防止变形和发生故障。他们采用了张拉整体的方法,这是一种历史长达百年的设计方法,将孤立的刚性杆集成至灵活的系索网状结构中,从而产生非常轻的自我张拉桁架结构物。

(图片来源:ICU)

研究小组从950纳米直径的构件开始,通过一种复杂的直接激光写入技术,以产生大小在10-20微米之间的基本单元格。这些单元格被构建成具有8个单元的超级单元格,可与其他单元格组建连续性结构。接着,研究人员进行计算建模和室内实验,并观察到这些结构表现出独特的均匀变形行为,而且不存在局部过应力或使用不足现象。

该团队发现,新型超材料的形变度提高了25倍。比起最先进的网格排列,其能量吸收能力成级数递增。研究人员Lorenzo Valdevit表示:“几十年来,对张拉整体结构的研究一直在进行。几年前,佐治亚理工学院的Julian Rimoli教授从理论上提出适当的周期性张拉整体网格概念。通过这个项目,我们首次实际研制出这些超材料,并进行了性能演示。”

在为行星着陆器开发结构配置时,佐治亚理工学院的团队发现,基于张拉整体的飞行器可以承受其单个部件的严重变形或弯曲,而不会发生坍塌,这是在其他结构中从未观察到的。研究人员Rimoli教授表示:“我们因此产生了利用同样原理制造超材料的想法,并发现了第一种3D张拉整体超材料。”

通过创新添加剂制造技术,超轻且坚固的传统结构基于微米级桁架和网格,在飞机、风力涡轮机叶片和其他许多应用中,具有取代较重固体物质的潜力,受到工程师们的密切关注。这些领先材料具有优异的特性,但与其他承重结构一样,如果超负载,仍然容易造成损坏。主要研究人员Jens Bauer表示:“在常见的纳米结构材料中,故障通常始于高度局部化变形。剪切带、表面上的裂缝以及在某一区域出现的壁体和支柱弯曲,会引起连锁反应,导致整个结构倒塌。”当受压构件弯曲时,受拉构件则不会,导致桁架网格开始倒塌。通常情况下,这些部件在公共节点上相互连接,只要其中一个发生故障,可能迅速蔓延至整个结构。

相反,张拉整体结构的受压构件形成闭合环路,彼此隔离,仅通过受拉构件连接。在这种情况下,受压构件的不稳定性只能通过拉伸载荷路径传递。如果它们没有发生断裂,就不会表现出不稳定性。向下推张拉整体系统,整个结构会均匀压缩,从而防止发生局部损坏,避免故障。

UCI研究人员Valdevit表示,张拉整体超材料表现出前所未有的抗故障性、极端能量吸收、形变度和强度,超过其他所有类型的领先轻质结构。“这项研究为设计先进工程系统提供了重要基础,比如可重复使用的冲击保护系统,以及自适应承重结构。”

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研究人员发现“益生菌” 或将改变生物燃料行业

盖世汽车讯 据外媒报道,诺和诺德基金会生物可持续性研究中心(DTU)和耶鲁大学的科学家探讨,在甘蔗乙醇发酵工业流程中,常见的细菌会产生怎样的影响。研究人员对酵母与细菌的相互作用进行深入研究发现,进一步关注微生物群落的多样性,以及选择优劣菌种,有助于改善酵母总产量和发酵过程的成本。

(图片来源:DTU)

科学家们通过重构微生物群落结构中每种可能组合,剖析甘蔗乙醇发酵过程中酵母与细菌的相互作用。这些微生物群落结构覆盖了工业过程中发现的大约80%的生物多样性,其中一种细菌值得格外注意:淀粉乳杆菌(Lactobacillus amylovorus)。

这种细菌能够产生大量的乙醛分子,可以用来喂养酵母,帮助它生长。换言之,淀粉乳杆菌本质上更慷慨,会分享食物。相比之下,其他参与这些过程的许多细菌更喜欢窃取食物。研究人员Felipe Lino表示:“它的工作方式与益生菌很接近,可以防止有害细菌进入系统。这种细菌以一种近乎共生的方式与酵母一起生长,对工业过程很有利。”因此,除了选择理想的酵母菌株,各家公司还可以选择最适合的细菌。从短期来看,这样做可能带来收益。将这种细菌应用于甘蔗酒精发酵,预计可将产量提高3%。

据巴西《 2019年生物燃料年度报告》数据,2019年,巴西的乙醇总产量为345亿升,其国内需求为340亿升。这些数字表明,优化发酵工艺拥有巨大的潜力。要提高乙醇工业化生产的效率,可以采用更有针对性的方法,放弃“一刀切”策略,即通过硫酸处理来降低pH值并杀灭细菌,将其控制在一定数量之下。

研究人员Morten Sommer表示,无论从经济还是环境的角度看,这都是有益的。“与其大量使用抗菌素,不如让有益细菌留在发酵罐内。这堪称是一种模式转变,将显著提高最终产量,同时产生积极的生产成本和环境影响。”

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研究人员利用机器学习开发电池技术 旨在开发10分钟充电电池

盖世汽车讯 在利用机器学习来加速电池设计方面,科学家们迈出了重要的一步:将机器学习与从实验和由物理学指导的方程式中获得的知识结合起来,从而发现快速充电锂离子电池寿命缩短的原因。


 (图片来源:SLAC)

据外媒报道,斯坦福大学、SLAC国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)、麻省理工学院和丰田研究所的研究人员,首次将“科学机器学习”(scientific machine learning)方法应用于电池循环,其目标是将基础研究和行业知识结合起来,开发一种可以在10分钟内充电的长寿命电动汽车电池。 

主要研究人员Will Chueh表示,这项研究结果推翻了长期以来关于锂离子电池如何充放电的假设,并为研究人员提供了一套新规则,用以设计更持久的电池。 

丰田研究所高级研究科学家Patrick Herring表示:“通过了解电池内部发生的基本反应,我们可以延长电池寿命,实现更快的充电速度,并设计出更好的电池材料。”

 

在之前的两项研究进展中,研究人员利用更传统的机器学习形式,大幅加快电池测试和筛选可行充电方法的过程,以找到最佳方法。但是,对于为何一些电池比其他电池的续航时间更长这一问题,他们并没有找到其中潜在的物理或化学原因。 

Chueh表示:“在这种情况下,我们正在教机器如何学习一种新型失效机制的物理原理,以设计更好、更安全的快速充电电池。快速充电会给电池带来极大的压力,并对电池造成损害。解决这一问题,是推动电动汽车发展的关键,并有助于减少对气候的影响。” 

将这三种方法结合起来,有望加快新电池技术的开发速度,使其从实验室到达消费者手中的时间缩短三分之二之多。这种新的联合方法也可用于开发电网级电池系统,用于更大规模的风能和太阳能发电。

 

这项新的研究将重点放在电池电极上,这种电极由纳米级颗粒凝聚在一起形成颗粒。在充放电过程中,锂离子在正负极之间来回移动,从颗粒中进进出出。在这种持续不断的作用下,粒子会发生膨胀、收缩和破裂,使其储存电荷的能力逐渐降低。快速充电只会让情况变得更糟。

为了更详细地观察这一过程,研究小组观察由镍、锰和钴组成的正极颗粒的行为,这种NMC材料是电动汽车电池中使用最广泛的材料之一。这些颗粒可以在电池放电时吸收锂离子,并在充电时将其释放出来。研究人员利用斯坦福同步辐射光源(SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource)的X射线,对正在进行快速充电的粒子进行全面观察。然后,将粒子带到劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源(Lawrence Berkeley National Laboratory's Advanced Light Source),用扫描X射线透射显微镜进行检测,追踪单个粒子。

相关实验数据、来自快速充电数学模型的信息,以及描述这一化学和物理过程的方程式信息,被纳入了科学机器学习算法。研究人员表示,在建模过程中,“我们没有像前两项研究那样,通过简单地输入数据,让计算机直接计算出模型,而是教会了计算机如何选择或学习正确的方程,从而获得正确的物理信息。”

 

科学家们一直认为颗粒之间的差异微不足道,其储存和释放离子的能力,受限于锂在颗粒内的移动速度。从这一角度看,锂离子会在同一时间流入和流出所有粒子,并且速度大致相同。

通过新方法可以看出,当电池充电时,这些颗粒本身控制锂离子从正极颗粒中移出的速度。有些粒子会立即释放大量离子,而另一些粒子释放的离子很少,甚至根本不释放。而且,快速释放的粒子会继续释放离子,其速度比它们的邻居更快。这是一种积极的反馈效果,是以前没有发现的。

研究人员表示:“现在,我们发现了锂在电池内部的移动方式,这与科学家和工程师们想象的大不相同。不均匀充放电给电极带来了更大的压力,使其工作寿命缩短。从根本上了解这一过程,是解决快速充电问题的重要一步。”

科学家们表示,新方法有望提高电池的成本、存储容量、耐用性和其他重要性能,而且应用范围广泛,如电动汽车、笔记本电脑,以及在电网上大规模储存可再生能源。

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研究发现新型共聚物粘合剂 可延长锂离子电池的使用寿命

盖世汽车讯 人们都知道智能手机使用超过一年后,锂离子电池的电荷量会减少,手机使用寿命或将随之降低,间接导致经济损失和污染。此外,锂离子电池寿命较短也阻碍了可再生能源回收和电动汽车市场的发展。因此,科学家们一直在努力寻找可提高锂离子电池寿命的方法。

锂离子电池容量随时间减少的关键原因之一是广泛使用的石墨阳极(即电池负极)的退化。阳极与电解质(电池正负极间携带电荷的介质)和阴极(或电池正极)可为电池充放电循环的电化学反应提供良好的环境。但为防止使用石墨时发生裂变,需要给石墨添加粘合剂。如今使用最广泛的粘合剂是聚偏二氟乙烯(PVDF),但它存在缺点,与理想的材料相去甚远。

据报道,为解决上述问题,北陆先端科学技术大学院大学(JAIST)的研究小组发明出由双亚氨基-萘醌-对亚苯基(BP)共聚物制造的新型粘合剂。首先,与PVDF粘合剂相比,BP粘合剂可为负极提供更好的粘合性和机械稳定性。部分原因是石墨与双亚氨基-萘醌基群之间存在假定的π-π相互作用,以及共聚物配体与电池铜集流体之间存在优异粘合性。其次,BP共聚物相比PVD更具导电性,并可产生一个更薄、且电阻更小的导电固体电解质界面。第三,BP共聚物不容易与电解质发生反应,大大避免降解。

(图片来源:北陆先端科学技术大学院大学)

如试验显示,BP共聚物还可大大增强电池性能。JAIST教授Noriyoshi Matsumi表示:“使用PVDF作为粘合剂的半电池在约500次充放电循环后仅是原始容量的65%,而使用BP共聚物作为粘合剂的半电池在经过1700次充放电循环后仍显示95%的容量。”

使用BP共聚物的半电池显示出极高且稳定的库伦效率,这也证明这种电池持久且耐用。库伦效率指的是电池放电容量与同循环过程中充电容量之比。研究小组在循环前后均采用电子显微镜对粘合剂进行拍摄。照片显示,BP共聚物上仅出现小裂纹,而PVDF粘合剂在不到总循环次数的三分之一时就出现了大裂纹。

此项研究实验和理论结果都将为设计耐用的锂离子电池提供新的方法,从而产生深远的环境和经济效应。正如Matsumi教授所说:“发明耐用电池将有助于开发出更可靠且可长期使用的产品,从而鼓励消费者购买昂贵的电池产品,如可长期使用的电动汽车。”

Matsumi教授还补充说,持久电池的开发将使很多人受益,如患有心脏疾病及其他依赖人造器官的人。此外,随着日常充电设备笔记本电脑、平板电脑和智能手机等数量的增加,普通人群也将受益于此。电极粘合剂的其他发展还有望使科学家们生产出寿命更长的电池产品,从而实现更绿色的未来。

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据报道,为解决上述问题,北陆先端科学技术大学院大学(JAIST)的研究小组发明出由双亚氨基-萘醌-对亚苯基(BP)共聚物制造的新型粘合剂。首先,与PVDF粘合剂相比,BP粘合剂可为负极提供更好的粘合性和机械稳定性。部分原因是石墨与双亚氨基-萘醌基群之间存在假定的π-π相互作用,以及共聚物配体与电池铜集流体之间存在优异粘合性。其次,BP共聚物相比PVD更具导电性,并可产生一个更薄、且电阻更小的导电固体电解质界面。第三,BP共聚物不容易与电解质发生反应,大大避免降解。

(图片来源:北陆先端科学技术大学院大学)

如试验显示,BP共聚物还可大大增强电池性能。JAIST教授Noriyoshi Matsumi表示:“使用PVDF作为粘合剂的半电池在约500次充放电循环后仅是原始容量的65%,而使用BP共聚物作为粘合剂的半电池在经过1700次充放电循环后仍显示95%的容量。”

使用BP共聚物的半电池显示出极高且稳定的库伦效率,这也证明这种电池持久且耐用。库伦效率指的是电池放电容量与同循环过程中充电容量之比。研究小组在循环前后均采用电子显微镜对粘合剂进行拍摄。照片显示,BP共聚物上仅出现小裂纹,而PVDF粘合剂在不到总循环次数的三分之一时就出现了大裂纹。

此项研究实验和理论结果都将为设计耐用的锂离子电池提供新的方法,从而产生深远的环境和经济效应。正如Matsumi教授所说:“发明耐用电池将有助于开发出更可靠且可长期使用的产品,从而鼓励消费者购买昂贵的电池产品,如可长期使用的电动汽车。”

Matsumi教授还补充说,持久电池的开发将使很多人受益,如患有心脏疾病及其他依赖人造器官的人。此外,随着日常充电设备笔记本电脑、平板电脑和智能手机等数量的增加,普通人群也将受益于此。电极粘合剂的其他发展还有望使科学家们生产出寿命更长的电池产品,从而实现更绿色的未来。

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研究机构开发遗传算法校准高通道数OPA 缩减激光雷达传感器成本和尺寸

盖世汽车讯 据外媒报道,法国研究机构CEA-Leti开发了遗传算法,校准高通道数光学相控阵(OPA),以缩减激光雷达传感器的成本和尺寸。

(图片来源:CEA-Leti)

OPA是一项新兴技术,由紧密排列的(间距约为1µm)光学天线阵列组成,并在宽角度范围内发射相干光。通过调整每根天线发出的光的相对相位,可改变生成的干涉图。例如,如果天线之间的相位梯度是线性的,则会形成定向波束。通过改变线性梯度的斜率,控制波束的方向,从而实现固态光束的转向。

研究人员Sylvain Guerber表示,“开发高性能OPA将为自动驾驶汽车、全息显示等许多其他应用的低成本激光雷达系统铺平道路。但激光雷达的广泛应用将取决于较低的系统成本和较小的外型尺寸。”要在100m处分辨尺寸为10cm物体,需要一个工作波长为1µm的OPA,并具备由至少1000根天线组成的电路,其中每根天线的间距为1µm。因此,对于基于OPA的商用激光雷达系统而言,开发高通道数的OPA是必不可少的。

目前的激光雷达通常使用重型、功耗大且昂贵的机械波束转向系统,而使用OPA可以提高扫描速度、功耗效率和分辨率。基于OPA的激光雷达系统的另一特点是没有活动部件,仅通过调整天线相位就可实现固态波束转向,从而大大缩减系统尺寸和成本。

此外,研究人员还开发了高级测量装置,可实现晶圆级OPA表征,从而进一步降低传感器成本。Guerber表示,可利用成熟的硅光子平台优势,生产芯片级集成固态光束转向OPA。然而,这只是实现全功能OPA的第一步,因为光束扫描需要初步校准。

由于光学天线数量多,意味着校准过程耗时较长,因此与大规模部署技术不兼容。而采用遗传算法,可对高通道数OPA进行快速、可靠的校准,与以往使用的算法相比,可使校准速度提高1000倍。

然而,Guerber称,OPA应用还需要几年。他表示,“目前仍然存在很多挑战,尤其是在系统层面。激光雷达由许多元素组成,包括激光器、电子驱动器、OPA转向系统、探测器和数据处理能力。这些元素必须共同协作,OPA只是系统的一部分。”

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