美国用比石墨多孔硅微球多10倍的电荷制备高性能锂离子电池

2020-07-07 09:35:52 新闻来源:网络
  据外国媒体报道,美国能源部西北太平洋国家实验室((theU.S.DepartmentofEnergy‘sPacificNorthwestNationalLaboratory,PNNL)的科学家们找到了一种新的方法来利用这种有前途但有问题的储能元件。硅通常用于电脑芯片和许多其他产品,因此它引起了广泛关注,因为每克硅的电荷是石墨的10倍。问题是,当硅遇到锂时,它会急剧膨胀,而且太脆弱,无法承受制造电极的压力。
  为了解决这个问题,pnnnl研究人员开发了一种独特的纳米结构,限制了硅的膨胀,并通过碳增强了它。这项研究可以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、电子和其他设备用锂离子电池的能量容量。
  石墨作为一种导电、稳定的碳,非常适合在充电过程中将锂离子填充到阳极中。与石墨相比,硅可以吸收大量的锂,但体积也会膨胀三倍,导致阳极破裂。研究人员将微小的硅粒子聚集在直径约8微米(相当于红细胞大小)的微球中,形成多孔硅。
  例如,石头之类的固体材料,如果体积膨胀过大,就会破裂,"研究人员说。我们建造了一种更像海绵的结构,里面有吸收膨胀的空间。
  发现当电荷是普通石墨电极的两倍时,多孔硅结构电极的厚度变化幅度小于20%。与以前的多孔硅不同,由于碳纳米管使微球看起来像纱线球,微球也表现出非凡的机械强度。
  研究人员通过在碳纳米管上涂覆氧化硅,分几个步骤构建了这个结构。然后将纳米管放入水和油的乳化液中,加热至沸腾。当水蒸发时,涂有氧化硅的碳纳米管凝结成球形,"研究人员说。然后,用铝和更高的热量,将氧化硅转化为硅,将其浸泡在水和酸中,并去除衍生物。"这个过程在碳纳米管表面产生一个由微小硅颗粒组成的粉末。
  研究人员用原子力显微镜探针测试多孔硅球的强度,发现纳米纱球产生轻微弯曲,失去了一些孔隙,但在很高的压缩力下没有破裂。
  这一结果对这种材料的商业化是个好兆头,因为阳极材料必须能够承受轧辊在制造过程中的高压收缩。研究人员说,下一步将是开发一种更可扩展和更经济的方法来制造硅微球,以便在未来能够生产出新一代高性能锂离子电池。
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