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美國研發(fā)多孔硅微球比石墨多存儲(chǔ)10倍電荷 制成高性能鋰離子電池


來源:蓋世汽車網(wǎng)

[導(dǎo)讀]  鉛筆頭上的材料-石墨同樣也一直是如今鋰離子電池的關(guān)鍵組成部分。不過,隨著人們對(duì)此類電池越來越依賴,基于石墨烯的電極應(yīng)該進(jìn)一步升級(jí)。因此,科學(xué)家們找到了數(shù)字革命的核心元素——硅。

中國粉體網(wǎng)訊  鉛筆頭上的材料-石墨同樣也一直是如今鋰離子電池的關(guān)鍵組成部分。不過,隨著人們對(duì)此類電池越來越依賴,基于石墨烯的電極應(yīng)該進(jìn)一步升級(jí)。因此,科學(xué)家們找到了數(shù)字革命的核心元素——硅。


據(jù)外媒報(bào)道,美國能源部西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室(the U.S. Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory,PNNL)的科學(xué)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(chǔ)能成分。硅通常用于計(jì)算機(jī)芯片和很多其他產(chǎn)品,因每克硅的電荷量是石墨的10倍,因而備受關(guān)注。問題是,硅在遇到鋰時(shí),會(huì)急劇膨脹,而且過于脆弱,無法承受制造電極時(shí)的壓力。


為了解決此類問題,PNNL的研究人員研發(fā)了一種獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu),可以限制硅膨脹,同時(shí)還用碳將其強(qiáng)化。該研究可能會(huì)為其他類型的電池提供新型電極材料設(shè)計(jì),并最終有助于提高電動(dòng)汽車、電子設(shè)備和其他設(shè)備鋰離子電池的能量容量。


作為一種導(dǎo)電且穩(wěn)定的碳,石墨非常適合用于在充電時(shí)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(huì)膨脹3倍,導(dǎo)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(gè)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,如果體積膨脹得太大就會(huì)破裂。我們打造的結(jié)構(gòu)更像海綿,內(nèi)部有空間會(huì)吸收膨脹!


研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)比普通石墨電極多容納兩倍電荷時(shí),多孔硅結(jié)構(gòu)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(xiàn)出非凡的機(jī)械強(qiáng)度。


研究人員通過在碳納米管上涂覆氧化硅,分幾個(gè)步驟打造了該結(jié)構(gòu)。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(dāng)水蒸發(fā)時(shí),涂覆了氧化硅的碳納米管會(huì)凝結(jié)成球狀。然后,用鋁和更高的熱量,將氧化硅轉(zhuǎn)化為硅,再浸入到水和酸中,除去衍生物!痹撨^程會(huì)產(chǎn)生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(qiáng)度,結(jié)果發(fā)現(xiàn),其中納米大小的紗線球在非常高的壓縮力下會(huì)產(chǎn)生輕微的彎曲,并失去一些孔隙,但是不會(huì)破裂。


這一結(jié)果對(duì)于實(shí)現(xiàn)此種材料的商業(yè)化是一個(gè)好兆頭,因?yàn)殛枠O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(fā)更具擴(kuò)展性、更經(jīng)濟(jì)的方法,來制造硅微球,從而未來能夠生產(chǎn)出新一代高性能鋰離子電池。


(中國粉體網(wǎng)編輯整理/茜茜)


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