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新技術將鋰電池儲電量提高十倍

鉅大LARGE  |  點擊量:224次  |  2024年08月15日  

手機電池帶電超過一周,每次充電只需15分鐘。美國西北大學的研究人員讓我們離這個夢想又進了一步。據美國物理學家組織網十一月十五日(北京時間)報道,該校的工程師研制出一種針對鋰離子電池的電極,允許電池保有比現有技術高10倍的電量,更可使帶有新電極的電池充電率提升10倍。相關研究報告發表在近期出版的《先進能源材料》雜志上。儲電量和充電率是兩個重要的電池局限。儲電量受限于電荷密度,即電池的兩極能容納多少鋰離子。充電率則受限于鋰離子從電解液到達負極的速度。


現有鋰離子電池的負極由碳基的石墨烯片層層堆積而成,一個鋰原子只能適配6個碳原子。為了新增儲電量,科學家曾嘗試利用硅代替碳,以使硅可以適配更多鋰,達到4個鋰原子對應1個硅原子。然而,硅會在充電過程中顯著擴展和縮小,從而引起充電容量的快速破裂和遺失。而石墨烯片的形狀也會制約電池的充電率,它們雖只有一個碳原子厚,但卻很長。由于鋰移動到石墨烯片中間要耗費很長時間,離子交通堵塞的情況在石墨烯片的邊緣時有發生。


現在,研究團隊結合兩種技術解決了上述問題。首先為了穩定硅以保持最大的充電容量,他們在石墨烯片之間加入硅簇,利用石墨烯片的彈性配合電池使用中硅原子數量的變化,使得大量鋰原子存儲于電極中。硅簇的添加可使能量密度更高,同時也能降低因硅擴展和縮小引發的充電容量損失,可謂兩全其美。


研究小組還利用化學氧化過程在石墨烯片上制造了10納米至20納米微孔,稱之為面缺陷,因此鋰離子將會沿此捷徑到達負極,并通過與硅發生反應,存儲在負極。這將使電池的充電時間縮短10倍。


論文重要作者哈羅德·H·孔(音譯)表示,新技術能使鋰離子電池的充電壽命延長10倍,即使在充電150次后,電池能效仍是現有鋰離子電池的5倍。這一技術有望在未來3至5年內進入市場。

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