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美国研发多孔硅微球比石墨多存储 10 倍电荷 制成高性能锂离子电池

盖世汽车 06-03

硅的电荷量是石墨的 10 倍,因此人们都希望锂离子电池能够用上硅阳极。

盖世汽车讯 铅笔头上的材料 - 石墨同样也一直是如今锂离子电池的关键组成部分。不过,随着人们对此类电池越来越依赖,基于石墨烯的电极应该进一步升级。因此,科学家们找到了数字革命的核心元素——硅。

(图片来源:西北太平洋国家实验室)

据外媒报道,美国能源部西北太平洋国家实验室(the U.S. Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory,PNNL)的科学家们找到了一种新方法,能够利用此种前景很好、但是问题也多多的储能成分。硅通常用于计算机芯片和很多其他产品,因每克硅的电荷量是石墨的 10 倍,因而备受关注。问题是,硅在遇到锂时,会急剧膨胀,而且过于脆弱,无法承受制造电极时的压力。

为了解决此类问题,PNNL 的研究人员研发了一种独特的纳米结构,可以限制硅膨胀,同时还用碳将其强化。该研究可能会为其他类型的电池提供新型电极材料设计,并最终有助于提高电动汽车、电子设备和其他设备锂离子电池的能量容量。

作为一种导电且稳定的碳,石墨非常适合用于在充电时将锂离子填入阳极中。与石墨相比,硅能够吸收很多的锂,但是体积也会膨胀 3 倍,导致阳极破裂。研究人员将微小的硅颗粒聚集成直径约为 8 微米的微球(大约是一个红血球大小),打造了多孔硅。

研究人员表示:" 例如,像石头等固体材料,如果体积膨胀得太大就会破裂。我们打造的结构更像海绵,内部有空间会吸收膨胀。"

研究发现,当比普通石墨电极多容纳两倍电荷时,多孔硅结构电极的厚度变化小于 20%。与之前的多孔硅不同,得益于让微球变得像纱线球的碳纳米管,该微球也表现出非凡的机械强度。

研究人员通过在碳纳米管上涂覆氧化硅,分几个步骤打造了该结构。接下来,该纳米管被放入水与油的乳状液体中,然后加热至沸腾。研究人员表示:" 当水蒸发时,涂覆了氧化硅的碳纳米管会凝结成球状。然后,用铝和更高的热量,将氧化硅转化为硅,再浸入到水和酸中,除去衍生物。" 该过程会产生一种由碳纳米管表面微小硅微粒组成的粉末。

研究人员利用原子力显微镜探针测试了该多孔硅球的强度,结果发现,其中纳米大小的纱线球在非常高的压缩力下会产生轻微的弯曲,并失去一些孔隙,但是不会破裂。

这一结果对于实现此种材料的商业化是一个好兆头,因为阳极材料在制造过程中必须能够承受滚轴的高压缩力。研究人员表示,下一步将研发更具扩展性、更经济的方法,来制造硅微球,从而未来能够生产出新一代高性能锂离子电池。

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