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“石榴”電極 奇怪的結構能10倍增大電池容量?

鉅大LARGE  |  點擊量:1043次  |  2020年01月04日  

受石榴啟發(fā),美國科學家開發(fā)出一種硅納米顆粒和碳制成的新型電極,成功破解了此前鋰離子電池中的硅電極容易破裂的難題。相關研究發(fā)表在2月17日出版的《自然·納米技術》雜志上。


電極是電池的關鍵部件,有陽極和陰極之分。此前就有研究表明,硅陽極具有極好的性能,用其制成的鋰離子電池能比目前廣泛使用的石墨陽極多存儲10倍以上的電能。但其最大的缺點是不可持續(xù)性:這種電極在充電過程中極易發(fā)生膨脹甚至破裂,硅在脫落后還會與電池中的電解質發(fā)生化學反應形成一種泥狀物質,降低電池性能和使用壽命。


新研究中,美國斯坦福大學和美國能源部下屬SLAC國家加速器實驗室副教授崔毅(音譯)和他的研究小組,利用硅納米線和納米顆粒成功解決了這個問題。通過一種在石油、油漆以及化妝品生產中常用的微乳液技術,研究人員把硅納米顆粒像石榴子一樣用碳包裹了起來,不但為每個硅納米顆粒穿上了一件碳衣,還為每一組硅納米顆粒蓋上了一層碳被。


物理學家組織網(wǎng)17日的報道稱,硅納米粒子的使用,縮小了硅的體積,降低了發(fā)生破裂的概率;碳衣和碳被不但大幅減少了硅暴露在電解質中的面積,還為電流的傳導提供了一條堅固的高速公路。此外,考慮到充電時硅納米顆粒會發(fā)生膨脹,研究人員還在碳衣碳被里為它們留下了富余的空間。通過精確控制生產過程,他們已經能夠為所需要的電極生產出特定大小的硅納米顆粒。


這些具有石榴結構的硅納米顆粒肉眼看上去就像一堆黑色粉末。用其制造電極時只需在外面包裹上一層金屬箔片即可。


實驗測試顯示,這種石榴結構的陽極具有優(yōu)良的性能,用它制造的電池在完成1000次充放電后還有97%的電量,完全能夠滿足實用要求。


崔毅說,為了使這項技術能夠更快商業(yè)化,還需要解決兩個問題:一是簡化制造流程,二是找到更便宜的硅納米顆粒來源。目前他們發(fā)現(xiàn)稻殼或許會成為一個很好的原材料。這種農作物副產品來源穩(wěn)定,產量極高,按重量計算,20%能被制成二氧化硅。而二氧化硅可以非常容易的被轉化為制造電極所需的純硅納米顆粒。


微信紅包稍縱即逝,像素小鳥蹦跶不停……智能手機、平板電腦上好玩的應用和游戲實在太多,讓人根本停不下來。只可惜如果沒有移動電源,幾小時后低電量警告就會出現(xiàn)了。最近幾年,斯坦福的科學家一直致力于硅納米電池的研究。這次給硅納米粒子穿衣蓋被算是其中非常重要的一步,在穩(wěn)定性、壽命等重要商業(yè)化指標上實現(xiàn)突破,為新型電池問世掃除了不少障礙。而對于移動電子終端而言,這種10倍電量電池也將意味著新一輪發(fā)展浪潮的到來。


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