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美國研發多孔硅微球比石墨多存儲10倍電荷 制成高性能鋰離子電池

鉅大LARGE  |  點擊量:755次  |  2020年06月23日  

鉛筆頭上的材料-石墨同樣也一直是如今鋰離子電池的關鍵組成部分。不過,隨著人們對此類電池越來越依賴,基于石墨烯的電極應該進一步升級。因此,科學家們找到了數字革命的核心元素——硅。


(圖片來源:西北太平洋國家實驗室)


據外媒報道,美國能源部西北太平洋國家實驗室(theU.S.DepartmentofEnergy'spacificNorthwestNationalLaboratory,pNNL)的科學家們找到了一種新方法,能夠利用此種前景很好、但是問題也多多的儲能成分。硅通常用于計算機芯片和很多其他產品,因每克硅的電荷量是石墨的10倍,因而備受關注。問題是,硅在遇到鋰時,會急劇膨脹,而且過于脆弱,無法承受制造電極時的壓力。


為了解決此類問題,pNNL的研究人員研發了一種獨特的納米結構,可以限制硅膨脹,同時還用碳將其強化。該研究可能會為其他類型的電池供應新型電極材料設計,并最終有助于提高電動汽車、電子設備和其他設備鋰離子電池的能量容量。


作為一種導電且穩定的碳,石墨非常適合用于在充電時將鋰離子填入陽極中。與石墨相比,硅能夠吸收很多的鋰,但是體積也會膨脹3倍,導致陽極破裂。研究人員將微小的硅顆粒聚集成直徑約為8微米的微球(大約是一個紅血球大?。蛟炝硕嗫坠?。


研究人員表示:“例如,像石頭等固體材料,假如體積膨脹得太大就會破裂。我們打造的結構更像海綿,內部有空間會吸收膨脹?!?/p>

研究發現,當比普通石墨電極多容納兩倍電荷時,多孔硅結構電極的厚度變化小于20%。與之前的多孔硅不同,得益于讓微球變得像紗線球的碳納米管,該微球也表現出非凡的機械強度。


研究人員通過在碳納米管上涂覆氧化硅,分幾個步驟打造了該結構。接下來,該納米管被放入水與油的乳狀液體中,然后加熱至沸騰。研究人員表示:“當水蒸發時,涂覆了氧化硅的碳納米管會凝結成球狀。然后,用鋁和更高的熱量,將氧化硅轉化為硅,再浸入到水和酸中,除去衍生物。”該過程會出現一種由碳納米管表面微小硅微粒組成的粉末。


研究人員利用原子力顯微鏡探針測試了該多孔硅球的強度,結果發現,其中納米大小的紗線球在非常高的壓縮力下會出現輕微的彎曲,并失去一些孔隙,但是不會破裂。


這一結果關于實現此種材料的商業化是一個好兆頭,因為陽極材料在制造過程中必須能夠承受滾軸的高壓縮力。研究人員表示,下一步將研發更具擴展性、更經濟的方法,來制造硅微球,從而未來能夠生產出新一代高性能鋰離子電池。


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