使用硅作为电池阳极的一次飞跃

时间:2020-04-29 19:54 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

使用硅作为电池阳极的一次飞跃

你会在铅笔的尖端发现同样的材料——石墨——长期以来一直是当今锂离子电池的关键组成部分。然而,随着我们对这些电池的依赖不断增加,基于石墨烯的电极理应得到升级。为此,科学家们正在寻找数字革命的核心元素:硅。

美国能源部西北太平洋国家实验室的科学家们想出了一种新方法来使用这种有前途但有问题的能量储存成分。硅被用于电脑芯片和许多其他产品,它的吸引力在于它每克的电荷量是石墨的10倍。问题是,当硅遇到锂时,它会急剧膨胀,而且它太弱了,无法承受电极制造的压力。

为了解决这些问题,由PNNL的研究人员张吉光(Jason)和李晓林领导的团队开发了一种独特的纳米结构,这种结构限制了硅的膨胀,同时用碳来强化它。他们的研究成果最近发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上,可能为其他类型的电池提供新的电极材料设计,并最终有助于提高电动汽车、电子设备和其他设备中的锂离子电池的能量容量。

除去硅的缺点

作为一种导电且稳定的碳,石墨非常适合在电池充电时将锂离子打包到电池的阳极中。硅比石墨能吸收更多的锂,但它的体积会膨胀300%,导致阳极破裂。研究人员通过将小硅颗粒聚集成直径约8微米的微球——大约一个红细胞的大小——来制造出多孔的硅。

“例如,像石头这样的固体材料,如果体积膨胀得太大,就会断裂,”张说。“我们创造的更像海绵,内部有空间来吸收膨胀。”

研究发现,多孔硅结构的电极在容纳两倍于典型石墨阳极的电荷时,厚度变化小于20%。然而,与之前的多孔硅不同的是,由于碳纳米管使微球看起来像纱线球,微球也显示出了非凡的机械强度。

超强微球

研究人员通过在碳纳米管上涂上氧化硅,分几个步骤制造了这种结构。接下来,将纳米管放入油和水的乳液中。然后他们被加热到沸腾。

“当水蒸发时,被包裹的碳纳米管就会凝结成球体,”李说。“然后我们用铝和更高的热量把氧化硅转化成硅,然后浸入水中和酸中去除副产品。”从这个过程中产生的是一种由碳纳米管表面的硅微粒组成的粉末。

利用原子力显微镜探针测试了多孔硅球的强度。作者发现,其中一个纳米纱线球“在非常高的压缩力下可能会产生轻微的屈服,并失去一些孔隙,但它不会断裂。”

这对商业化来说是个好兆头,因为阳极材料在制造过程中必须能够承受滚轴的高压力。下一步,张说,是开发更可扩展和更经济的方法来制造硅微球,使它们有一天可以成为下一代高性能锂离子电池。

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