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重大突破！科學家發(fā)現(xiàn)“拱形”納米硅陽極 可大大提高鋰離子電池容量
時間:2021-02-06 17:44來源:財聯(lián)社 作者:綜合報道
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近期，沖繩科學技術(shù)大學院大學（OIST）的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種特殊結(jié)構(gòu)——拱形納米硅陽極，可以改善一直以來鋰離子電池石墨陽極所存在的弊端。該研究成果已于本月5日刊登在了《通信材料》（Communications Materials）雜志上。
功能強大、攜帶方便、可充電的鋰離子電池是現(xiàn)代技術(shù)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于智能手機、筆記本電腦和電動汽車等。隨著人類逐步遠離化石燃料，它們在未來改變存儲和消費電力方式的潛力得到了各界的認可。傳統(tǒng)上，石墨被用作鋰離子電池的陽極，但是這種碳材料有很大的局限性。
研究人員解釋稱，當電池充電時，鋰離子被迫從電池的一端（陰極）通過電解質(zhì)溶液移動到電池的另一端（陽極）。然后，當電池被使用時，鋰離子會回到陰極，電池釋放電流。然而，在石墨陽極中，一個鋰離子需要六個碳原子來存儲，所以這些電池的能量密度很低。
隨著科學和工業(yè)界都在不斷探索使用鋰離子電池為電動汽車和航天飛機提供動力，提高能量密度如今也變得愈發(fā)重要。研究人員現(xiàn)在正在尋找新的材料，可以增加鋰離子在陽極中的存儲數(shù)量。目前，最有希望的候選材料之一是硅，它可以為每一個硅原子綁定四個鋰離子。
研究人員說，“硅陽極在給定體積內(nèi)可以儲存的電荷是石墨陽極的十倍，在能量密度方面要高出整整一個數(shù)量級。但問題是，當鋰離子進入陽極時，體積變化是巨大的，高達400%左右，這會導致電極斷裂。”
此外，巨大的體積變化也阻止了電解質(zhì)和陽極之間保護層的穩(wěn)定形成。因此，每當電池充電時，這一層就必須不斷地改造，耗盡有限的鋰離子供應(yīng)，并降低電池的壽命和可充電性。
該研究資深作者Grammatikopoulos博士表示，“我們的目標是嘗試創(chuàng)造一種更堅固的陽極，能夠抵抗這些壓力，能夠吸收盡可能多的鋰，并確保盡可能多的充電循環(huán)。我們采用的方法是用納米顆粒構(gòu)建一個結(jié)構(gòu)。”
如下圖所示，在第一階段，硅薄膜以剛性但不穩(wěn)定的柱狀結(jié)構(gòu)存在。在第二階段，柱子在頂部接觸，形成拱形結(jié)構(gòu)，由于拱的作用，拱形結(jié)構(gòu)很堅固。在第三階段，硅原子進一步沉積形成海綿狀結(jié)構(gòu)。紅色虛線顯示了硅在施力時是如何變形的。
Grammatikopoulos博士說，“拱形結(jié)構(gòu)很堅固，就像土木工程中的拱門一樣堅固。同樣的概念也適用于納米尺度。”
重要的是，結(jié)構(gòu)強度的增加也與電池性能的提高相一致。當科學家們進行電化學測試時，他們發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的充電容量增加了。保護層也更穩(wěn)定，這意味著電池可以承受更多的充電循環(huán)。
這種拱形結(jié)構(gòu)及其獨特特性的揭示不僅是鋰離子電池中硅陽極商業(yè)化的重要一步，而且在材料科學領(lǐng)域中還有許多其他潛在的應(yīng)用。
研究人員表示：“當需要堅固且能承受各種壓力的材料時，就可以使用這種拱形結(jié)構(gòu)，比如用于生物植入物或儲存氫氣。你只需要知道材料的確切類型，是更硬還是更軟，更有彈性還是不那么有彈性，只需簡單地改變層的厚度就可以精確地實現(xiàn)，這就是納米結(jié)構(gòu)的魅力所在。”
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