瑞典科學(xué)家研發(fā)新型硅陽極鋰電池

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，有望提供比現(xiàn)在銷售的電池容量大大增加的電池。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產(chǎn)生低成本、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的兩個因素。

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展性。

瑞典中部大學(xué)的科學(xué)家們希望解決這個問題，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毫安時的電流密度下，其比容量為455毫安時（mAh／g－1），庫侖效率為97％。關(guān)于這種陽極的工藝和特性的細(xì)節(jié)發(fā)表在《科學(xué)報告》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。在第一個周期，陽極的容量達到1050 mAh／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，這是一個重大的進步。在第一個循環(huán)時，陽極的比能量被測得為787瓦時／公斤（Wh／kg），200次循環(huán)后下降到341．25 Wh／kG。

雖然其他方法在容量保持方面表現(xiàn)出更強的結(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，可擴展，不需要昂貴的設(shè)備進行合成。在這項研究中，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?！?/p>

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