石墨長期以來一直是當(dāng)今鋰離子
電池的關(guān)鍵組成部分。然而,隨著我們對這些
電池的依賴不斷增加,基于石墨烯的電極需要得到升級。為此,科學(xué)家們正在尋找數(shù)字革命的核心元素:硅。
美國能源部西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家想出了一種新方法來使用這種有前途但有問題的儲能成分。硅被用于電腦芯片和許多其他產(chǎn)品,它的吸引力在于它每克容納的電荷量是石墨的10倍。問題是,當(dāng)硅遇到鋰時(shí),它會急劇膨脹,并且太弱無法承受電極制造的壓力。
為了解決這些問題,由美國能源部西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員張吉光(音譯)和李曉林(音譯)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)在限制硅膨脹的同時(shí)還用碳強(qiáng)化了硅。他們的研究成果最近發(fā)表在《自然通訊》雜志上,可以為其他類型的電池提供新的電極材料設(shè)計(jì)信息,并最終幫助提高電動汽車,電子設(shè)備和其他設(shè)備中鋰離子電池的能量容量。
消除硅的缺點(diǎn)
石墨是碳的一種導(dǎo)電且穩(wěn)定的形式,非常適合在充電時(shí)將鋰離子填充到電池的陽極中。硅可以吸收比石墨更多的鋰,但硅往往會膨脹約300%的體積,導(dǎo)致陽極破裂。研究人員通過將小的硅顆粒聚集成直徑約8微米的微球(大致相當(dāng)于一個(gè)紅血球的大小)來制造多孔形式的硅。
張吉光說:“例如,像石頭這樣的固體材料,如果體積膨脹太大,就會破裂。我們創(chuàng)造的東西更像海綿,內(nèi)部有空間吸收膨脹。”
研究發(fā)現(xiàn),多孔硅結(jié)構(gòu)的電極在容納兩倍于典型石墨陽極的電荷時(shí),厚度變化小于20%。然而,與之前的多孔硅不同的是,由于碳納米管使微球看起來像紗線球,微球也顯示出了非凡的機(jī)械強(qiáng)度。
超強(qiáng)微球
研究人員分幾步創(chuàng)建了結(jié)構(gòu),首先是用氧化硅涂覆碳納米管。接下來,將納米管放入油和水的乳液中。然后將它們加熱至沸騰。
李曉林說:“當(dāng)水蒸發(fā)時(shí),涂覆的碳納米管會凝結(jié)成球形。然后,我們使用鋁和更高的熱量將氧化硅轉(zhuǎn)化為硅,然后浸入水和酸中以去除副產(chǎn)物。” 從該過程中產(chǎn)生的是由碳納米管表面上的微小硅顆粒組成的粉末。
使用原子力顯微鏡的探針測試了多孔硅球的強(qiáng)度。作者發(fā)現(xiàn),其中一種納米級的紗線球“在非常高的壓縮力下可能會屈服并失去一些孔隙,但不會破裂。”
這預(yù)示著商業(yè)化的發(fā)展,因?yàn)殛枠O材料必須在制造過程中能夠承受滾軸的高壓力。張吉光說,下一步是開發(fā)出更具可擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)性的制造硅微球的方法,以便它們有一天能成為下一代高性能鋰離子電池。
(責(zé)任編輯:子蕊)
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