新型拱形纳米结构如何作用于电池？

2021-02-09 10:40

文/陈根

凭借着高能量密度、高安全性的优势,锂离子电池在短短的十几年的时间里,就彻底占领了消费电子市场,并扩展到了电动汽车领域,取得了瞩目的成就。

现阶段,锂离子电池已经成为电动汽车最重要的动力源,并且,随着正负极材料向着更高克容量的方向发展和安全性技术的日渐成熟、完善,更高能量密度的电芯技术正在从实验室走向产业化,应用到更多场景里。

尽管市场普遍看好锂离子电池,但锂离子电池的性能仍有进步空间。有科学家们希望通过在设计中加入硅元素来提高锂离子电池的性能,这种方法可以将电池的容量提高10倍之多。

近日,日本的一个研究小组就提出了一种方法来克服迄今为止困扰锂离子电池研究的耐久性问题,研究人员依靠一种由微小的纳米级拱门制成的阳极组件来提供一些强度,成功使锂离子电池又向前迈了一步。

陈根：拱门的坚固，如何作用于电池？

通常,当电池充电时,锂离子被迫从电池的一侧(阴极)通过电解质溶液移动到电池的另一侧(阳极)。当使用电池时,锂离子移回阴极,电池释放电流。但在石墨阳极中,储存一个锂离子需要六个碳原子,因此这些电池的能量密度很低。

同时,用硅代替石墨可以显著提高这种能量密度,因为每个硅原子可以与四个锂离子结合。但迄今为止,实现这一目标的努力遇到了稳定性问题,因为硅的耐久性不如石墨,随着电池的循环,硅往往会膨胀、收缩和断裂。

基于此,研究人员开始探索另一种技术,涉及一种类似于蛋糕的结构,在金属纳米颗粒之间放置一层硅。研究人员观察发现,当硅原子沉积到金属纳米颗粒上时,它们会形成倒锥状的微小柱状物,朝顶部更厚。

这意味着,随着更多的硅原子沉积下来,柱体的高度增加,它们变得足够宽,可以相互接触,形成纳米级的拱形结构。随着越来越多的硅原子沉积下来,研究小组的柱子越来越高,它们变得足够宽,可以相互接触,形成纳米级的拱形结构。并且,研究人员表示,拱形结构很坚固,就像土木工程中的拱门一样坚固。

这或许预示着锂电池硅阳极的未来,但研究人员认为,他们的新型拱形纳米结构有可能应用于材料科学的其他领域。

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