“豆荚”复合材料可延长锂离子电池使用寿命

2011-2-12 09:31 来源: 中国科学院
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  锂离子电池是目前日常生活中使用最为广泛的一种电池,但多种原因导致其存在使用寿命短这一缺点,其中电极退化问题最让科学家们苦恼。这是因为在不断的放电和充电过程中,电池中的锂离子会反复与金属电极发生化学反应,长期积累下来就会导致电极的逐步退化,最终对电池性能造成不可挽回的影响。

  据美国物理学家组织网2月11日(北京时间)报道,新加坡A-STAR研究院化学工程研究所的科学家们日前研发出一种可减少电极退化的新技术,进而可延长锂离子电池的使用寿命和容量保持率。

  该技术使用了一种豌豆荚结构的复合材料,这种材料由氧化钴(四氧化三钴)纳米颗粒(类似于豌豆荚中的豌豆)和纳米碳纤维(类似于覆盖在豌豆外的豆壳)组成。氧化钴纳米颗粒作为活性材料来存储锂离子,四周的中空碳纤维则可以起到保护氧化钴颗粒防止其断裂的作用。此外,这些碳纤维还扮演着从纳米粒子中传导电子的角色。

  由于与目前传统的阳极材料(如锡)相比,氧化钴具有更强的离子吸附和保持能力,它被认为是极富潜力的阳极材料。此外,氧化钴能很容易地转化为已进入商业化应用的阴极材料——氧化钴锂。

  为制造这种豆荚结构材料,研究人员首先在充满惰性气体的密闭空间内以700摄氏度的温度对表面附着有聚合葡萄糖的粗制碳酸钴进行加热,而后再将其放置在空气中以250摄氏度的温度加热。电子扫描显微镜显示,这种结构的复合材料在结构上十分整齐,其长度大都是几个微米,直径一般在50纳米左右。

  由这种豌豆荚结构复合材料制成的电极能显著提升锂离子电池的电池容量和储电能力,实验发现在经过50次充放电循环后,由其制成的电池仍具有91%的容量。

  研究人员称,除在锂离子电池领域的应用前景外,这种豆荚结构复合材料本身就是一个成就,因为该技术首次实现了将具有磁性的纳米颗粒嵌入到中空的碳纤维之中。这种“纳米颗粒胶囊”技术可以推广到多个领域,如基因工程、催化、气体探测、电容以及磁性材料制造等。