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小硅片有望大幅度提升锂离子电池容量
来源:本站         发布时间:2017-05-26

 加州大学的研究人员称他们发现硅作阳极的电池可实现电池性能的突破,可解决电池效率不高以及在使用过程中出现故障甚至是发生火灾等灾难性后果的问题。
加州大学河滨分校(UCR)的研究员们研制出一种硅作阳极的锂离子电池。目前,这种硅阳极板所呈现出的性能明显优于其他材料,而且还可解决电池效率不高以及在使用过程中出现故障甚至是发生火灾等灾难性后果的问题。
   
 

 随着研究人员继续专注此项科研,不断促进电池规模的升级换代,它极有可能为电动汽车、电子产品和全能移动电源等产品向着更高性能的发展铺平道路。
众所周知,石墨很早就作为锂离子电池的阴极板材料。但由于储能量有限,同时电池性能又不断提高,它的弊端已慢慢暴露出来,成为电池性能提高的瓶颈。
同样单位质量的硅可存储的能量比石墨高出10倍。但是,目前它存在两个主要的性能缺陷。一是低库仑效率,也就是说,电荷在转移到硅电极过程中损失较大。另一个致命因素是每经过一个充电周期,硅接触电荷都会扩展延伸至自身的3倍,这样很容易形成裂纹,造成短路,降低电池性能,甚至导致电池类的灾难性事故。
   

  由Cengiz Ozkan和Mihri两位教授领导的研究小组已研制出一种电极材料来应对上述问题。该电极由海绵状的硅纳米纤维组成,其性能优异,同时还可解决其他可能出现的很多问题。
研究人员在一个旋转的滚筒和喷出原硅酸四乙酯(TOES) 溶液的喷嘴之间施加高电压,从而产生纳米纤维。之后将纤维材料暴露于镁蒸气中,进而获得海绵状硅纤维结构。
M. Ozkan告诉我们说:“我们研究的硅纳米纤维在纳米尺度上有几个结构方面的优势:它能够帮助把我们体积膨胀效应弱化到最小,就像在其他标准硅材料中观察到的那样。”
研究者告诉Gizmag说,纳米纤维纳米表面含有Φ10nm左右的纳米孔,而且在纤维网格之间也有空隙,这些都为硅提供足够的扩展空间,而不损害电池主体。同时,还有另外三个减少硅不利扩张的因素:纳米二氧化硅外壳;覆盖有碳涂层的缓冲层;纤维本身的大小,其尺寸约为8~25纳米(尺寸太小硅容易断裂)。
     

 目前,锂离子电池需要粘结剂结合活性粒子,使其在集电器中相互接触反应。但由于粘结剂无其他活性作用,导致电池更大、更重的同时并未提升电池性能。虽然现在已经有无粘结剂电池的雏形,但由于该种电池所使用的活性物质只能小批量生产,所以并未投入大规模生产。
     

   研究人员说,新的电极材料并不需要集电器、聚合物粘结剂和导电粉添加剂,其硅材料占整个电极重量的80%以上。实验小组在进行600多个周期测试后,确定电极容量在802 mAh / g ,而且比起之前硅电极材料的低库伦效应,新电极的库仑效率高达99.9%。
与先前的无粘结剂的电池设计不同,这种活跃的材料更适合大规模生产,所以目前解决的重点在于如何最大化电池的尺寸和集成度。
   

“目前,我们的锂离子电池尺寸还处于硬币大小的阶段,”m . Ozkan告诉我们,“我们需要与电池制造商合作,进一步深入推进这项电池技术的发展,使其能够达到口袋大小的尺寸,这样就可以用在商务便携式电子设备上。这种设想何时能够实现取决于我们找到合适电池制造商的速度。”
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