中國儲能網(wǎng)訊：美國太平洋西北國家實驗室（PNNL）的科研人員研發(fā)出一種多孔的海綿狀材料，可以制成抗碎結(jié)構(gòu)，提高鋰離子電池陽極的性能。相關(guān)研究報告發(fā)表在《自然·通訊》上。
PNNL成員張廣禮（Jason Zhang，音譯）說：“長久以來，科研人員一直試圖用硅來提升鋰離子電池的性能。但是，硅在充電時會膨脹、斷裂，使硅電極無法正常運行。現(xiàn)在，我們研發(fā)的海綿狀多孔材料允許硅在體積膨脹的同時不會斷裂，這就為制作硅電極提供了可能性。”
一般來講，可充電鋰離子電池由2個電極構(gòu)成：1個是帶正電的鋰陽極，1個是帶負(fù)電的石墨陰極。電子在兩個電極之間來回流動就產(chǎn)生了電流。為了能夠控制電子，帶正電的鋰原子（科學(xué)家稱為鋰離子）通過另一個路線從一個電極移到另一個電極—電池電解液。
鋰離子電池的化學(xué)性能限制了其自身的儲能容量。為了增加電池的儲能容量，科研人員不停地尋找新材料。帶有硅陰極的鋰離子電池其使用壽命比石墨陰極的鋰電池長30%。如果使用PNNL研發(fā)的硅陰極鋰電池，電動汽車的平均單次充電行駛里程可以達(dá)到130英里左右。
海綿狀硅納米材料（圖片來源：PNNL）
但是，硅的體積在充電過程中會擴大三倍，在材料內(nèi)部產(chǎn)生壓力并最終導(dǎo)致碎裂。許多科學(xué)家嘗試使用納米級電池部件，認(rèn)為這樣就會給硅留有足夠的膨脹空間，但是這些都不是可以批量上市生產(chǎn)的技術(shù)。
張廣禮（音譯）與同事共同提出海綿狀硅電極的想法。以前，曾有科學(xué)家在硅電極表面蝕刻微孔，但未能在整個材料上刻蝕成功。因此，他們向加州大學(xué)的化學(xué)家Michael Sailor尋求幫助，Michael Sailor的研究領(lǐng)域包括使用多孔硅追蹤污染物和藥物投遞。PNNL的科學(xué)家使用Michael Sailor的方法制作多孔硅—通過化學(xué)浴在薄片上刻蝕微孔，然后包裹上一層薄的碳層制作電極。
接著，科研小組和能源部PNNL的環(huán)境分子科學(xué)實驗室材料化學(xué)家王重民（音）合作。王重民專注于使用原位透射式電子顯微鏡的研究。他使用顯微鏡跟蹤記錄微型電池的特寫視頻，使科研人員能夠更好地理解電池運行的物理和化學(xué)變化。通過顯微鏡，科研小組觀察到了他們研發(fā)的海綿狀的、碳包覆的硅電極在充放電過程中經(jīng)歷的物理和化學(xué)變化。
科研人員發(fā)現(xiàn)，在充電過程中，新電極大部分都擴張到材料多孔結(jié)構(gòu)的剩余空間。電極外表面形狀只擴大了30%，而常規(guī)的硅電極會擴大300%。此外，新電極還不會斷裂。經(jīng)歷了1000次充放電循環(huán)后，電極的電能容量仍是原來初始容量的80%以上。
張廣禮（音）及其科研小組計劃研發(fā)使用海綿狀硅電極的電池樣品，其中包括研發(fā)流水線的生產(chǎn)工藝，以經(jīng)濟的成本制作海綿狀硅電極。（中國儲能網(wǎng)獨家編譯）
