科學傢發現具有“自覺中空”特征的納米材料,可提高高能鋰電池的性能

據外媒報導,一個國際科學傢團隊發現瞭一種材料,可使鋰離子電池在不犧牲電池壽命的狀況下,具有更多的能量。該團隊發現銻晶體在充放電循環進程中會自覺地、可逆地中空,這一備受等待的特征能夠在不影響安全的前提下增進更大的能量密度。

鋰離子電池通過在兩個電極(負電的陰極和正電的陽極)之間往返傳輸離子來產生電力。但在當前的狀態下,它們已經到瞭極限。增多鋰離子固定的盡力因陽極材料的老化而受阻,陽極材料在充電和放電進程中會收縮和緊縮,致使更大的壓力,從而降低電池的壽命。

科學傢們在“yolk-shel ”顆粒中看到瞭一個解決計劃,因為中空的空地能夠適應電池充放電時的體積轉變,同時提供穩固的外外表,從而提升循環能力。長時間以來,將金屬合金陽極材料換成這些顆粒始終被視為一種有遠景的道路,但現實證實,以具備本錢效益的方式創造它們是有問題的。

“故意地對中空納米材料進行工程化已經有一段時間瞭,這是一種很有出路的辦法,能夠提升高能量密度電池的壽命和穩固性,”來自佐治亞理工學院的研究作者Matthew McDowell說。“問題始終是,以商業運用所需的大尺度直接分解這些中空納米結構是具備應戰性的,並且本錢很高。我們的發現能夠提供一種更簡單、精簡的進程,以相似於故意設計的中空結構的方式改善性能。”

來自佐治亞理工學院、蘇黎世聯邦理工學院和橡樹嶺國傢實行室的McDowell和他的同事們的發現是從直徑是人類頭發直徑的千分之一的巨大顆粒開始的。研究小組發現,這些氧化塗層銻納米晶體會在電池循環進程中自覺地中空,而不是像預期的那樣收縮和緊縮。

運用高辨別率電子顯微鏡察看小型測試電池中的納米顆粒,證實瞭這類中空舉動,並且發現隻有在直徑小於30納米左右的顆粒中才會出現。它的工作道理是通過彈性氧化層,使材料在離子流入陽極時收縮,但在離子被移除時產生空地,而不是致使典型的緊縮舉動。

“當我們第一次察看到獨特的中空舉動時,這是十分使人興奮的,我們立刻曉得這可能對電池性能有重要的影響,”McDowell說。

固然這些中空的納米顆粒是一個使人興奮的發現,但關於該團隊來說,將來還有一些應戰。銻自身價錢高貴,因而當前還沒有用於生產電池電極。但是,科學傢們疑心錫等其他更廉價的材料也可能體現出一樣的空心舉動。他們現在但願探究這些可能性,並在更大的電池長進行研究,以期盡力完成商業運用。

“對其他材料進行測試,看看它們能否會依據相似的空心機制進行轉化,這將是十分有趣的,”McDowell說。“這能夠擴展可用於電池的材料范圍。我們創造的小型測試電池顯示出有但願的充放電性能,因而我們但願在更大的電池中評估這些材料。”

該研究宣佈在《自然-納米技術》雜志上。

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