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海绵硅可提高锂离子电池存储容量

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发表于 2014-7-22 15:36:07 |显示全部楼层
在海绵状硅材料的帮助下,为我们笔记本电脑和电动汽车提供电力的锂离子电池,一次充电能储存更多能量并运行更长时间。

研究人员开发出了多孔材料,取代用在电池其中一个电极上的传统石墨材料,因为硅具有石墨10倍以上的存储能力。一篇描述用于锂离子电池电极材料性能的文章发表在《自然通讯》杂志上。

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太平洋西北国家实验室研究员,Ji-Guang "Jason" Zhang说:“长期以来,硅一直被寻求作为一种方法用于提高锂离子电池的性能,但是对硅进行充电时,硅膨胀如此厉害以至于它会裂开,这使得用硅制造电池根本无法操作”。“我们研发的多孔、海绵材料给硅提供了膨胀空间,这样它就不再开裂了”。

提升空间

可充电的锂离子电池有两个电极:其中一个带正电荷的电极是用锂制成的;而另一个带负电荷的电极通常用石墨制成。当用导线将两个电极连接时,电子在导线中流动产生电流。为了控制电子,带正电荷的锂离子,科学家通常称为离子,通过另外一种途径从其中一个电极向另一个电极移动,那就是浸泡电极的电解质溶液。

锂离子电池的化学性质限制了它的能量储量。为了增加电池的容量,研究人员正在寻求新材料,如硅。与用石墨作锂离子电池的电极相比,用硅作一个锂离子电池的电极,可以延长其30%的使用寿命。在一次充电的情况下,今天的电动汽车平均可以行驶130公里,前提是使用了PNNL的硅电极制成的锂离子电池。

不幸的是,当对硅进行充电的时候,硅的膨胀能使尺寸增加3倍,它在材料内部产生较大的压力导致它最终开裂。许多科研人员试图使它变小,变成纳米尺寸的电池部件,这种想法认为较小的尺寸能够为硅膨胀提供足够的空间,但是这些努力没能为市场提供成熟的技术。

海绵方案

Zhang和他在PNNL的同事想弄清楚,海绵硅电极能够为该问题提供什么样的解决方法。其它一些人在硅表面通过刻蚀制造孔洞,但是未能在整个材料内部实现。所以他们接触Michael Sailor,一个加州大学圣地亚哥分校的化学家寻求帮助,他研究内容包括使用多孔硅来检测污染物和传输药物。PNNL用Sailor的方法创造出了多孔硅,将薄片硅浸在化学浴中在整个材料内刻蚀出细小的孔洞。随后涂上一层薄薄的可导电的碳,将它们制成电极。

接下来,研究小组与Chongmin Wang合作, 他在美国能源部环境分子科学实验室工作,擅长使用原位透射电子显微镜,也是在PNNL的环境分子科学实验室。Wang使用强大的显微镜来记录微小电池的特写影片,他的操作过程使研究人员能够更好地理解电池的物理变化和化学变化。Wang在显微镜下观察,对研究团队开发的海绵碳涂层硅电极进行了一系列的充电和放电实验。

成长空间

该团队发现,当充电的时候,新电极大多时候向多孔结构中的空间内膨胀。电极的外形仅仅膨胀了30%,比通常在硅电极上发现的300%小得多。并且新的电极并未开裂分解。经过1000余次充电—放电循环,电极保持了其原来能量存储能力的80%。

下一步,Zhang和他的同事们计划用他们的海绵硅开发更大的多孔电极原型。这些努力的一部分将涉及创建一个更精简的生产过程,使他们生产的电极成本控制在合理的范围内。

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