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新型电极材料有助提高锂离子电池容量

导读: 锂离子电池通过使锂离子在电极两端来回穿梭实现充电与放电过程。例如,在充电时,锂离子从通常由锂钴氧化物制造的阳极材料上脱嵌,穿过隔膜和电解液,嵌入到阴极中。

  近年来,电动汽车因其环保特性而备受推崇,但与汽油车相比,较短的行驶里程限制了其进一步的发展。

  日前,新加坡科技研究局下属材料与工程研究院的刘兆林(音译)与中国复旦大学的于艾水(音译)等研究人员,通过研制一种新型锂离子电极材料,增大了锂离子电池的容量,或将帮助电动汽车行驶得更远。相关研究成果日前发表于《电化学通讯》。

  据了解,锂离子电池通过使锂离子在电极两端来回穿梭实现充电与放电过程。例如,在充电时,锂离子从通常由锂钴氧化物制造的阳极材料上脱嵌,穿过隔膜和电解液,嵌入到阴极中。放电则以相反的过程进行。

  在通常情况下,锂离子电池的阴极由充斥着微小孔隙的石墨材料制造。之前有研究发现,相比石墨材料,氧化铁材料能够让电池拥有更大的容量。但用氧化铁材料作为阴极的电池的充电过程十分缓慢,同时,这种材料在经历数次充放电循环之后,就会被锂离子破坏,进而影响电池容量。

  而在最新的研究中,刘兆林和于艾水推测,相比氧化铁阴极,阴极由氧化铁纳米粒子制造的电池的充电过程或许将会快许多,因为这种纳米材料的孔隙十分合适锂离子嵌入。并且,这些孔隙还能够随着锂离子嵌入而作出相应的改变。

  为了验证这一想法,研究人员通过在水中加热硝酸铁,得到了大小为5纳米的氧化铁粒子,也就是α-Fe2O3。然后,他们将这些粒子与炭黑粉末相混合,利用聚偏二氟乙烯加以固定,将这一混合物覆盖在铜箔上面,最终制成电池阴极。

  实验表明,在第一轮充放电过程中,使用新型阴极电池的转化效率为传统电池的75%~78%,但是,经过几轮充放电,新型电池的效率达到了传统电池的98%。

  对此,研究人员表示,电池的效率之所以会逐渐提高,是因为在前几轮的充放电过程中,氧化铁纳米粒子被分解到合适的尺寸。而98%这一数据则表明,新型电池已经十分接近目前商用锂电池的水平。

  此后的实验表明,大约在230次循环之后,新型电池的效率还维持在97%左右。而且令人欣喜的是,这种电池的容量达到了1009毫安时/克,几乎比传统石墨阴极电池高出了三倍。同时,新型电池没有遇到困扰其他氧化铁阴极电池的退化问题。

  目前,该团队正在优化纳米合成过程,并且着手提高氧化铁纳米电极在初始循环中的转化效率。

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