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美科學家新設計解決鋰電池硅基陽極粉化難題

來源:科技日報 時間:2020-05-01 00:01:33

硅是目前最重要的半導體材料,但其應用范圍遠不止于此。美國能源部西北太平洋國家實驗室研究人員設計了一種新穎的納米結構,能夠賦予硅非凡的強度,使其有望成為鋰離子電池的陽極材料,成為石墨的升級版。研究人員在《自然·通訊》雜志上發表研究報告稱,他們的成果是鋰離子電池硅基陽極開發的一個飛躍,為其他類型電池材料設計提供了新的思路。

長期以來,石墨一直是鋰離子電池的關鍵組成部分。這種碳導電且穩定,非常適合在充電時將鋰離子填充到電池的陽極中。但隨著對更高能量密度電池的需求不斷增加,石墨基電極也需要升級,而硅被認為是一種很好的升級版材料。與石墨相比,硅可以吸收更多的鋰,但問題是,硅在遇到鋰時會大幅膨脹,可能會導致鋰電池陽極破裂粉化。

為了克服硅基陽極粉化這一難題,西北太平洋國家實驗室研究人員設計了一種新穎的納米結構。他們將細小的硅顆粒聚集到直徑約8微米的微球中,形成一種相當于紅細胞大小的分層多孔硅結構。這種結構就像海綿一樣,內部有空間來吸收膨脹壓力。研究表明,這種分層多孔結構具有出色的電化學性能、機械強度和結構完整性,可用于高性能鋰離子電池陽極,其可容納的電荷也是典型石墨基陽極的兩倍。

研究人員表示,他們設計的納米結構不僅可以滿足硅基陽極各方面的性能要求,也適用于包括壓延在內的標準工業加工程序,可以為其他類型電池材料設計提供新的思路。下一步,他們將努力開發更具擴展性和經濟性的硅微球制造方法,以便進行商業化應用,最終幫助提高電動汽車、電子設備和其他設備中鋰離子電池的性能。

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