发现拱形硅阳极结构可以提高锂离子电池的性能

2021-02-09| 发布者: 2020极速赛车| 查看: |

据国外媒体报道,冲绳科技大学OIST的研究发现了一种特定的积木,利用纳米粒子技术构建,可以改善锂离子电池负极。

锂离子电池功能强大、便携、可充电,广泛应用于智能手机、笔记本电脑和电动汽车。随着人们逐渐放弃使用化石燃料,2019年,锂离子电池在改变未来能源储存和电力消耗方式方面的巨大潜力得到了广泛认可。OIST委员会的新成员阿基拉吉野博士也获得了诺贝尔奖,以表彰他在开发锂离子电池方面的工作。石墨通常用作锂离子电池的阳极,但这种碳材料有很大的局限性。

(来源:冲绳科技大学)

该研究的第一作者、前OIST研究员玛尔塔哈罗博士解释说:“当电池充电时,锂离子会通过电解质溶液从电池的阴极移动到阳极。当电池工作时,锂离子会移回阴极,从而产生电流。然而,在石墨阳极中,储存一个锂离子需要六个碳原子,因此这种电池的能量密度非常低。”

目前,科技界和工业界正在尝试使用锂离子电池为电动汽车和航天飞机提供动力,因此提高它们的能量密度非常重要。研究人员正在努力寻找能够增加阳极锂离子数量的新材料。目前硅是最有潜力的候选材料之一,每个硅原子可以结合4个锂离子。

哈罗博士说:“在给定的体积下,硅阳极可以储存十倍于石墨阳极的电荷,其能量密度要高一个数量级。但问题是,当锂离子进入阳极时,体积会变得巨大,大约400%,从而导致电极破裂、断裂。”巨大体积变化也阻止了电解质和阳极之间稳定保护层的形成。因此,每次电池充电时,保护层需要不断重新结合,以耗尽所有锂离子,导致电池寿命缩短,可充电性降低。

研究人员Grammatikopoulos博士说:“我们正在努力发明一种更强的阳极,它能抗压,不仅能储存更多的锂离子,还能保证腐蚀前有更多的充电周期。因此,我们使用纳米粒子来构建结构。”2017年在《Advanced Science》发表的一篇论文描述了设计单元已经被溶解的OIST纳米粒子可以被衍生成饼状层状结构,其中每层硅被夹在钽纳米粒子之间,这可以改善硅阳极的结构完整性并防止过度膨胀。

当测试不同厚度的硅层以了解它们如何影响材料的弹性时,研究人员注意到一些奇怪的现象。OIST的博士生西奥布劳米斯说:“当硅层达到一定厚度时,结构弹性完全改变,材料会逐渐硬化。然而,当硅层的厚度进一步增加时,刚度迅速降低。我们有一些猜测,但当时我们不清楚这种变化的根本原因。”

最后,研究人员解释说,当达到临界厚度时,刚度会突然增加。通过原子显微镜技术和计算机模拟,研究人员发现,当硅原子沉积在纳米颗粒层上时,它们不会形成均匀的薄膜,而是一个倒圆锥形的圆柱体。随着更多的硅原子沉积,圆柱体变得越来越宽。最后,硅柱相互接触形成拱形结构。Grammatikopoulos博士说:“拱形结构和土木工程中的拱形一样坚固,也适用于纳米尺度。”

重要的是提高结构强度和电池性能。当科学家进行电化学测试时,他们发现锂离子电池具有更高的充电容量和更稳定的保护层,这意味着电池提供了更多的充电周期。这些改进只能在柱接触的瞬间看到,而在这个瞬间之前,每个柱都是摆动的,所以不能为阳极提供结构完整性。如果在柱接触后继续沉积硅,将形成具有许多空隙的多孔膜,从而形成柔软的海绵状结构。

该实验揭示了电池中的拱形结构以及如何获得其独特的性能。这不仅是锂离子电池硅阳极商业化的重要一步,也是材料科学和其他潜在应用领域的重要发展。

Grammatikopoulos博士说:“当需要坚固的承压材料时,如生物植入物或储氢材料,可以使用拱形结构。只有改变层的厚度,才能准确制作出所需的材料。材料可以更硬也可以更软,可以更柔韧也可以不柔韧,这就是纳米结构的独特之处。”

 
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