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财联社(上海,编辑 黄君芝)讯,近期,冲绳科学手艺大学院大学(OIST)的研究人员发现了一种特殊结构――拱形纳米硅阳极,可以改善一直以来锂离子电池石墨阳极所存在的坏处。该研究成果已于本月5日刊登在了《通讯质料》(Communications Materials)杂志上。

功能强大、携带方便、可充电的锂离子电池是现代手艺的主要组成部分,普遍应用于智能手机、笔记本电脑和电动汽车等。随着人类逐步远离化石燃料,它们在未来改变存储和消费电力方式的潜力得到了各界的认可。传统上,石墨被用作锂离子电池的阳极,然则这种碳质料有很大的局限性。

研究人员注释称,当电池充电时,锂离子被迫从电池的一端(阴极)通过电解质溶液移动到电池的另一端(阳极)。然后,当电池被使用时,锂离子会回到阴极,电池释放电流。然而,在石墨阳极中,一个锂离子需要六个碳原子来存储,以是这些电池的能量密度很低。

随着科学和工业界都在不停探索使用锂离子电池为电动汽车和航天飞机提供动力,提高能量密度现在也变得愈发主要。研究人员现在正在寻找新的质料,可以增添锂离子在阳极中的存储数目。现在,最有希望的候选质料之一是硅,它可以为每一个硅原子绑定四个锂离子。

研究人员说,“硅阳极在给定体积内可以储存的电荷是石墨阳极的十倍,在能量密度方面要凌驾整整一个数目级。问题是,当锂离子进入阳极时,体积转变是伟大的,高达400%左右,这会导致电极断裂。”

此外,伟大的体积转变也阻止了电解质和阳极之间保护层的稳固形成。因此,每当电池充电时,这一层就必须不停地革新,耗尽有限的锂离子供应,并降低电池的寿命和可充电性。

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该研究资深作者Grammatikopoulos博士示意,“我们的目的是实验缔造一种更坚硬的阳极,能够 *** 这些压力,能够吸收尽可能多的锂,并确保尽可能多的充电循环。我们接纳的方式是用纳米颗粒构建一个结构。”

如下图所示,在第一阶段,硅薄膜以刚性但不稳固的柱状结构存在。在第二阶段,柱子在顶部接触,形成拱形结构,由于拱的作用,拱形结构很坚硬。在第三阶段,硅原子进一步沉积形成海绵状结构。红色虚线显示了硅在施力时是若何变形的。

Grammatikopoulos博士说,“拱形结构很坚硬,就像土木工程中的拱门一样坚硬。同样的观点也适用于纳米尺度。”

主要的是,结构强度的增添也与电池性能的提高相一致。当科学家们举行电化学测试时,他们发现锂离子电池的充电容量增添了。保护层也更稳固,这意味着电池可以蒙受更多的充电循环。

这种拱形结构及其怪异特征的展现不仅是锂离子电池中硅阳极商业化的主要一步,而且在质料科学领域中另有许多其他潜在的应用。

研究人员示意:“当需要坚硬且能蒙受种种压力的质料时,就可以使用这种拱形结构,好比用于生物植入物或储存氢气。你只需要知道质料的确切类型,是更硬照样更软,更有弹性照样不那么有弹性,只需简朴地改变层的厚度就可以精确地实现,这就是纳米结构的魅力所在。”

(责任编辑:王治强 HF013)
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