新型电池阳极可提高10倍储存能量

2016-02-16 10:10:00
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        美国斯坦福大学(Stanford University)和能源部SLAC国家加速器实验室(National Accelerator Laboratory)的科学家们共同开发出一种制造硅晶锂离子电池阳极的新方法。这种新开发的阳极每次充电可储存较现有商用电池更多10倍的能量,而且还可用于制造出更轻巧且更小型的高性能电池。

        在电池充电期间,硅晶粒子会膨胀到原有尺寸的三倍后碎裂,同时还会与电池电解液起反应,形成削弱其性能的涂层。为了克服这些问题,斯坦福大学-SLAC实验室的研究团队利用以石墨烯材料量身打造的外壳包覆每个硅阳极颗粒。

        斯坦福大学-SLAC实验室连手打造石墨烯外壳的过程

        Source:Y. Li et al./Nature Energy

        根据《自然能源》(Nature Energy)期刊以及SLAC官网上的介绍,研究人员们发展出一种三阶段的方法来制造合适大小的石墨烯外壳。在这种外壳中不但有足够的空间可让硅晶粒子随电池充电而膨胀扩张,又够紧密足以在颗粒碎裂时密切结合所有的碎片,因而使其可持续以高容量作业。这种强大、弹性化的外壳还能阻止与电解液发生破坏性的 化学反应。

        这种显微的外壳方法也适用于其他的电极材料,根据斯坦福大学副教授崔屹表示,这种方法让能量密集、低成本的电池材料成为现实。

        “这种新方法让我们能使用直径约1-3微米或百万分之一公尺的较大硅颗粒,其价格更便宜而且已广泛使用中,”崔屹表示,“事实上,我们所使用的颗粒非常类似在制造半导体芯片时研磨硅锭而产生的废弃物;他们就像是各种形状和大小的木屑颗粒。在此之前,像这么大的颗粒通常无法在电池阳极中有效发挥,因此,这是一项十分令人振奋的新研究成果,我们认为它提供了一个可行的解决方案。”

        为了让这种微观的外壳完全适用,研究人员们先以镍涂覆在硅颗粒上,然后在镍的顶层上生长石墨烯,以镍作为促进石墨烯生长的催化剂。而在最后的步骤,研究人员们将镍蚀刻掉,让石墨烯外壳中只留下足够让硅颗粒膨胀扩张的空间。

        “这种量身打造的石墨烯外壳是保持高效率的第一个涂层,而且可在相对较低的温度下进行反应,”斯坦福大学博士后研究员阎凯表示。

        这项石墨烯外壳研究的下一步是微调整个过程,以够大的量生产带有石墨烯外壳的硅颗粒,从而打造商用级的电池。

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updated: 2021-09-20 08:19:52