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重大突破！科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“拱形”納米硅陽(yáng)極 可大大提高鋰離子電池容量

時(shí)間:2021-02-06 17:44來(lái)源:財(cái)聯(lián)社 作者:綜合報(bào)道
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      近期，沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（OIST）的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種特殊結(jié)構(gòu)——拱形納米硅陽(yáng)極，可以改善一直以來(lái)鋰離子電池石墨陽(yáng)極所存在的弊端。該研究成果已于本月5日刊登在了《通信材料》（Communications Materials）雜志上。
      功能強(qiáng)大、攜帶方便、可充電的鋰離子電池是現(xiàn)代技術(shù)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、筆記本電腦和電動(dòng)汽車等。隨著人類逐步遠(yuǎn)離化石燃料，它們?cè)谖磥?lái)改變存儲(chǔ)和消費(fèi)電力方式的潛力得到了各界的認(rèn)可。傳統(tǒng)上，石墨被用作鋰離子電池的陽(yáng)極，但是這種碳材料有很大的局限性。
 
      研究人員解釋稱，當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子被迫從電池的一端（陰極）通過(guò)電解質(zhì)溶液移動(dòng)到電池的另一端（陽(yáng)極）。然后，當(dāng)電池被使用時(shí)，鋰離子會(huì)回到陰極，電池釋放電流。然而，在石墨陽(yáng)極中，一個(gè)鋰離子需要六個(gè)碳原子來(lái)存儲(chǔ)，所以這些電池的能量密度很低。
 
      隨著科學(xué)和工業(yè)界都在不斷探索使用鋰離子電池為電動(dòng)汽車和航天飛機(jī)提供動(dòng)力，提高能量密度如今也變得愈發(fā)重要。研究人員現(xiàn)在正在尋找新的材料，可以增加鋰離子在陽(yáng)極中的存儲(chǔ)數(shù)量。目前，最有希望的候選材料之一是硅，它可以為每一個(gè)硅原子綁定四個(gè)鋰離子。
 
      研究人員說(shuō)，“硅陽(yáng)極在給定體積內(nèi)可以儲(chǔ)存的電荷是石墨陽(yáng)極的十倍，在能量密度方面要高出整整一個(gè)數(shù)量級(jí)。但問(wèn)題是，當(dāng)鋰離子進(jìn)入陽(yáng)極時(shí)，體積變化是巨大的，高達(dá)400%左右，這會(huì)導(dǎo)致電極斷裂。”
 
      此外，巨大的體積變化也阻止了電解質(zhì)和陽(yáng)極之間保護(hù)層的穩(wěn)定形成。因此，每當(dāng)電池充電時(shí)，這一層就必須不斷地改造，耗盡有限的鋰離子供應(yīng)，并降低電池的壽命和可充電性。
 
      該研究資深作者Grammatikopoulos博士表示，“我們的目標(biāo)是嘗試創(chuàng)造一種更堅(jiān)固的陽(yáng)極，能夠抵抗這些壓力，能夠吸收盡可能多的鋰，并確保盡可能多的充電循環(huán)。我們采用的方法是用納米顆粒構(gòu)建一個(gè)結(jié)構(gòu)。”
 
      如下圖所示，在第一階段，硅薄膜以剛性但不穩(wěn)定的柱狀結(jié)構(gòu)存在。在第二階段，柱子在頂部接觸，形成拱形結(jié)構(gòu)，由于拱的作用，拱形結(jié)構(gòu)很堅(jiān)固。在第三階段，硅原子進(jìn)一步沉積形成海綿狀結(jié)構(gòu)。紅色虛線顯示了硅在施力時(shí)是如何變形的。
      Grammatikopoulos博士說(shuō)，“拱形結(jié)構(gòu)很堅(jiān)固，就像土木工程中的拱門一樣堅(jiān)固。同樣的概念也適用于納米尺度。”
 
      重要的是，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的增加也與電池性能的提高相一致。當(dāng)科學(xué)家們進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的充電容量增加了。保護(hù)層也更穩(wěn)定，這意味著電池可以承受更多的充電循環(huán)。
 
       這種拱形結(jié)構(gòu)及其獨(dú)特特性的揭示不僅是鋰離子電池中硅陽(yáng)極商業(yè)化的重要一步，而且在材料科學(xué)領(lǐng)域中還有許多其他潛在的應(yīng)用。
      研究人員表示：“當(dāng)需要堅(jiān)固且能承受各種壓力的材料時(shí)，就可以使用這種拱形結(jié)構(gòu)，比如用于生物植入物或儲(chǔ)存氫氣。你只需要知道材料的確切類型，是更硬還是更軟，更有彈性還是不那么有彈性，只需簡(jiǎn)單地改變層的厚度就可以精確地實(shí)現(xiàn)，這就是納米結(jié)構(gòu)的魅力所在。”
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 鋰離子電池 納米硅陽(yáng)極
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