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新设计解决锂电池硅基阳极粉化难题

[ 时间:2020-05-08 10:02:53 | 来源:科技日报 ]

硅是目前最重要的半导体材料,但其应用范围远不止于此。美国能源部西北太平洋国家实验室研究人员设计了一种新颖的纳米结构,能够赋予硅非凡的强度,使其有望成为锂离子电池的阳极材料,成为石墨的升级版。研究人员在《自然·通讯》杂志上发表研究报告称,他们的成果是锂离子电池硅基阳极开发的一个飞跃,为其他类型电池材料设计提供了新的思路。

长期以来,石墨一直是锂离子电池的关键组成部分。这种碳导电且稳定,非常适合在充电时将锂离子填充到电池的阳极中。但随着对更高能量密度电池的需求不断增加,石墨基电极也需要升级,而硅被认为是一种很好的升级版材料。与石墨相比,硅可以吸收更多的锂,但问题是,硅在遇到锂时会大幅膨胀,可能会导致锂电池阳极破裂粉化。

为了克服硅基阳极粉化这一难题,西北太平洋国家实验室研究人员设计了一种新颖的纳米结构。他们将细小的硅颗粒聚集到直径约8微米的微球中,形成一种相当于红细胞大小的分层多孔硅结构。这种结构就像海绵一样,内部有空间来吸收膨胀压力。研究表明,这种分层多孔结构具有出色的电化学性能、机械强度和结构完整性,可用于高性能锂离子电池阳极,其可容纳的电荷也是典型石墨基阳极的两倍。

研究人员表示,他们设计的纳米结构不仅可以满足硅基阳极各方面的性能要求,也适用于包括压延在内的标准工业加工程序,可以为其他类型电池材料设计提供新的思路。下一步,他们将努力开发更具扩展性和经济性的硅微球制造方法,以便进行商业化应用,最终帮助提高电动汽车、电子设备和其他设备中锂离子电池的性能。

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