电池技术新发展:“石榴”电极可让电池容量增10倍

2014-2-18 09:44 来源: 中国科技网-科技日报
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  受石榴启发,美国科学家开发出一种硅纳米颗粒和碳制成的新型电极,成功破解了此前锂离子电池中的硅电极容易破裂的难题。相关研究发表在2月17日出版的《自然·纳米技术》杂志上。

  电极是电池的关键部件,有阳极和阴极之分。此前就有研究表明,硅阳极具有极好的性能,用其制成的锂离子电池能比目前广泛使用的石墨阳极多存储10倍以上的电能。但其最大的缺点是不可持续性:这种电极在充电过程中极易发生膨胀甚至破裂,硅在脱落后还会与电池中的电解质发生化学反应形成一种泥状物质,降低电池性能和使用寿命。

  新研究中,美国斯坦福大学和美国能源部下属SLAC国家加速器实验室副教授崔毅(音译)和他的研究小组,利用硅纳米线和纳米颗粒成功解决了这个问题。通过一种在石油、油漆以及化妆品生产中常用的微乳液技术,研究人员把硅纳米颗粒像石榴子一样用碳包裹了起来,不但为每个硅纳米颗粒穿上了一件“碳衣”,还为每一组硅纳米颗粒盖上了一层“碳被”。

  物理学家组织网17日的报道称,硅纳米粒子的使用,缩小了硅的体积,降低了发生破裂的概率;“碳衣”和“碳被”不但大幅减少了硅暴露在电解质中的面积,还为电流的传导提供了一条坚固的高速公路。此外,考虑到充电时硅纳米颗粒会发生膨胀,研究人员还在“碳衣”“碳被”里为它们留下了富余的空间。通过精确控制生产过程,他们已经能够为所需要的电极生产出特定大小的硅纳米颗粒。

  这些具有石榴结构的硅纳米颗粒肉眼看上去就像一堆黑色粉末。用其制造电极时只需在外面包裹上一层金属箔片即可。

  实验测试显示,这种石榴结构的阳极具有优良的性能,用它制造的电池在完成1000次充放电后还有97%的电量,完全能够满足实用要求。

  崔毅说,为了使这项技术能够更快商业化,还需要解决两个问题:一是简化制造流程,二是找到更便宜的硅纳米颗粒来源。目前他们发现稻壳或许会成为一个很好的原材料。这种农作物副产品来源稳定,产量极高,按重量计算,20%能被制成二氧化硅。而二氧化硅可以非常容易的被转化为制造电极所需的纯硅纳米颗粒。