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瑞典研發(fā)新型硅陽極鋰離子電池

鉅大鋰電  |  點(diǎn)擊量:0  |  2021年04月30日  

導(dǎo)讀:瑞典的科學(xué)家們開發(fā)出一種新的氣凝膠工藝來制造鋰離子電池的硅陽極,有望供應(yīng)比現(xiàn)在銷售的電池容量大大新增的電池。通過在石墨上生長納米大小的硅顆粒,該研究小組能夠展示一種克服硅作為負(fù)極材料常見的許多挑戰(zhàn)的裝置。雖然在穩(wěn)定性和容量保持方面仍然存在挑戰(zhàn),但這種方法最終可以出現(xiàn)低成本、大規(guī)模的生產(chǎn)工藝。


使用石墨作為負(fù)極材料的背后,是當(dāng)今鋰離子電池的許多限制。雖然是一種可靠的材料,但石墨的理論容量相對較低,以及在高電流密度下失去這種容量的傾向,是阻礙商用鋰離子電池容量和性能重大改進(jìn)的兩個(gè)因素。


硅是研究人員爭相關(guān)注的幾種新負(fù)極材料之一,它的理論容量約為石墨的十倍,當(dāng)然有很大的潛力。然而,在電池循環(huán)過程中,硅容易膨脹繼而分崩離析,導(dǎo)致性能迅速下降。


研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了各種解決方法,包括一開始就使硅多孔,或者使用碳納米管的“支架”結(jié)構(gòu)。然而,在這個(gè)研究的早期階段,很少有人關(guān)注所研究的工藝的成本或潛在的可擴(kuò)展性。


瑞典中部大學(xué)的科學(xué)家們希望解決這個(gè)問題,他們研究了一種硅陽極生產(chǎn)的新工藝,即利用“氣凝膠”工藝將納米大小的硅顆粒涂在石墨片上。利用這種工藝,他們生產(chǎn)出了一種陽極,在每克100毫安時(shí)的電流密度下,其比容量為455毫安時(shí)(mAh/g-1),庫侖效率為97%。有關(guān)這種陽極的工藝和特性的細(xì)節(jié)發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》中,論文為《高性能鋰離子電池的硅納米石墨氣凝膠基陽極》。


該陽極依靠石墨作為添加劑來提高電導(dǎo)率并連接微小的硅納米顆粒。在第一個(gè)周期,陽極的容量達(dá)到1050mAh/g-1,接近硅的理論極限。30次循環(huán)后,這一數(shù)值迅速下降到初始值的57%,100次循環(huán)后下降到52%。研究人員指出與原始硅、研磨硅或熱處理硅的結(jié)果相比,這是一個(gè)重大的進(jìn)步。在第一個(gè)循環(huán)時(shí),陽極的比能量被測得為787瓦時(shí)/公斤(Wh/kg),200次循環(huán)后下降到341.25Wh/kG。


雖然其他方法在容量保持方面表現(xiàn)出更強(qiáng)的結(jié)果,但研究人員在此指出,這些方法往往依賴于復(fù)雜或昂貴的工藝,不適合大規(guī)模生產(chǎn)。研究人員表示:“硅納米顆粒通過氣凝膠制造路線從硅粉末和納米石墨使用聚乙烯醇(PVA)生長在納米石墨片上,方法簡單,成本效益高,可擴(kuò)展,不要昂貴的設(shè)備進(jìn)行合成。在這項(xiàng)研究中,我們表明基于這種結(jié)構(gòu)制備的電極顯示出高比容量和循環(huán)穩(wěn)定性,因此是一種潛在的具有成本效益的硅基陽極方法。”

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