中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：提起硅負(fù)極你想到的是什么呢？大容量、高體積膨脹？硅負(fù)極作為新一代的鋰離子電池負(fù)極材料，其容量最高可達(dá)4200mAh/g，是石墨負(fù)極材料的10倍以上，是最具希望的下一代鋰離子電池負(fù)極材料。
在這耀眼的光環(huán)下，硅負(fù)極也存在著難以克服的缺點(diǎn)，這主要源于硅負(fù)極在嵌鋰過(guò)程中嚴(yán)重的體積膨脹，在完全嵌鋰狀態(tài)下，硅負(fù)極的體積膨脹可達(dá)300%，這會(huì)造成材料顆粒的粉化和脫落，嚴(yán)重影響其電化學(xué)性能。人們竭力減少硅負(fù)極材料的體積膨脹，例如納米顆粒、薄膜電極、碳包覆處理等方法，都是人們?yōu)榭朔柝?fù)極膨脹所做出的努力。體積膨脹對(duì)于鋰離子電池是一個(gè)壞消息，但是讓我們換個(gè)角度考慮一下，硅負(fù)極巨大的體積膨脹是不是還有一些特使的用途呢？
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清華大學(xué)的Jialiang Lang等人就利用了硅負(fù)極在充放電過(guò)程中的體積膨脹開發(fā)了一款“微型起重機(jī)”。該“微型起重機(jī)”實(shí)際上是一個(gè)軟包鋰離子電池，其正極采用了體積變化很小的LiFePO4材料，而負(fù)極使用了硅負(fù)極材料，電池容量為2.1Ah。并利用該電池進(jìn)行了“舉水實(shí)驗(yàn)”，在實(shí)驗(yàn)中該電池通過(guò)充電“舉起”了637.5g的水，在完全充電狀態(tài)下電池膨脹所產(chǎn)生的壓強(qiáng)達(dá)到了25.8KPa，在后續(xù)的循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生了平均21KPa的壓力。后續(xù)的研究表明，該電池能夠產(chǎn)生的最高壓力可達(dá)17MPa。在整個(gè)充放電電壓平臺(tái)期間，該電池可以持續(xù)產(chǎn)生10MPa以上的壓力。在該過(guò)程中，充電產(chǎn)生的能量分為3部分，一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，一部分轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲(chǔ)存在電池中，一部分則轉(zhuǎn)化為熱能耗散了。
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當(dāng)然對(duì)于一款意在將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的設(shè)備，快速的響應(yīng)的能力自然是十分重要的，Jialiang Lang對(duì)電池在快速充放電模式下，體積膨脹的響應(yīng)速度進(jìn)行了研究。研究表明電池膨脹對(duì)脈沖電流有著很好的響應(yīng)速度。并且膨脹距離與充電時(shí)間基本呈現(xiàn)線性關(guān)系，在2A/g的電流密度下，膨脹速度為1.6nm/s，因此該方案可以用于納米精度的定位。電池的膨脹速度主要與硅負(fù)極的面密度、電池厚度和電流密度相關(guān)，因此在電池定型的前提下，我們可以通過(guò)控制電流的方式來(lái)控制電池的膨脹速度，從而達(dá)到我們所需要的控制精度。在該研究中，Si負(fù)極的容量發(fā)揮僅為800mAh/g，因此該“微型起重機(jī)”還有很大的提升空間。該“微型起重器”能夠精確的產(chǎn)生納米尺度的位移，并能承受巨大的負(fù)載，因此可以應(yīng)用在一些需要在納米級(jí)高精度定位的領(lǐng)域，例如操作掃描隧道顯微鏡的探針等。反其道而行之，往往能取得不錯(cuò)的效果。
