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

時(shí)間:2021-02-06 17:44來源: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)——拱形納米硅陽極,可以改善一直以來鋰離子電池石墨陽極所存在的弊端。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)、筆記本電腦和電動汽車等。隨著人類逐步遠(yuǎn)離化石燃料,它們在未來改變存儲和消費(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)通過電解質(zhì)溶液移動到電池的另一端(陽極)。然后,當(dāng)電池被使用時(shí),鋰離子會回到陰極,電池釋放電流。然而,在石墨陽極中,一個鋰離子需要六個碳原子來存儲,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汽車和航天飛機(jī)提供動力,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極中的存儲數(shù)量。目前,最有希望的候選材料之一是硅,它可以為每一個硅原子綁定四個鋰離子。
 
      研究人員說,“硅陽極在給定體積內(nèi)可以儲存的電荷是石墨陽極的十倍,在能量密度方面要高出整整一個數(shù)量級。但問題是,當(dāng)鋰離子進(jìn)入陽極時(shí),體積變化是巨大的,高達(dá)400%左右,這會導(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,“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 納米硅陽極
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