使用硅作为电池阳极的飞跃

同样的材料你’我会在铅笔的尖端找到–graphite–长期以来一直是当今的关键组成部分’的锂离子电池。由于我们依赖这些 batteries increases, however, 石墨-based electrodes are due for an upgrade. For that, scientists are looking to the element at the heart of the digital revolution: silicon.

美国能源部的科学家’太平洋西北国家实验室提出了一种使用这种有前途但有问题的储能成分的新颖方法。用于计算机芯片和许多其他产品的硅很吸引人,因为它每克的电荷量是石墨的10倍。问题在于,硅在遇到锂时会大大膨胀,并且太弱而无法承受电极制造的压力。

为了解决这些问题,由PNNL研究人员张继光(Jason)张和李小林领导的团队开发了一种独特的纳米结构,该结构限制了硅’膨胀,同时用碳强化它。他们的工作,最近发表在杂志上 自然通讯可以为其他类型的电池提供新的电极材料设计信息,并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能量容量。

从硅中消除弊端

石墨是碳的一种导电且稳定的形式,非常适合将锂离子填充到电池中’充电时的阳极。硅可以吸收比锂更多的锂,但硅往往会膨胀约300%的体积,从而导致阳极破裂。研究人员通过将小的硅颗粒聚集到直径约8微米的微球中,从而创造出一种多孔形式的硅。–大约只有一个红细胞的大小。

“举例来说,如石头之类的固体材料如果体积膨胀太大,就会破裂,” Zhang said. “我们创造的东西更像海绵,内部有空间吸收膨胀。”

研究发现,具有多孔硅结构的电极的厚度变化小于20%,同时容纳的电荷是典型石墨阳极的两倍。但是,与以前的多孔硅不同,微球还具有非凡的机械强度,这要归功于使碳纳米管像纱线球的碳纳米管。

超强微球

研究人员分几个步骤创建了该结构,首先是用氧化硅涂覆碳纳米管。接下来,将纳米管放入油和水的乳液中。然后将它们加热至沸腾。

“当水蒸发时,涂覆的碳纳米管会凝结成球形,” said Li. “然后,我们使用铝和更高的热量将氧化硅转化为硅,然后浸入水和酸中以去除副产物。”从该过程中产生的是由碳纳米管表面上的微小硅颗粒组成的粉末。

多孔硅球’使用原子力显微镜的探针测试强度。作者发现,其中一种纳米纱球“在很高的压缩力下可能会稍微屈服并失去一些孔隙,但不会破裂。”

这对于商业化是一个很好的预兆,因为阳极材料必须在制造过程中能够承受辊中的高压缩。张说,下一步是开发出更具可扩展性和经济性的制造硅微球的方法,以便它们有一天能进入下一代高性能锂离子电池。



本新闻稿中的材料来自原始研究组织。可以编辑内容的样式和长度。有一个问题? 让我们知道.

订阅

每天早上一封电子邮件,其中包含我们的最新帖子。从医学研究到太空新闻。环境转化为能源。物理技术。

感谢您的订阅。

出了些问题。