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基于硅的阳极在当前的石墨阳极上显示出显着的改进

发布时间:2018-05-18    点击量:15

莱斯大学科学家与洛克希德马丁公司合作研究下一代电池技术,报告创造了一种硅基阳极,可在1000毫安时每克容许600次充电 - 放电循环(mAh /克)LT; / EM>

莱斯大学的研究人员通过从字面上压缩他们以前的工作来完善硅基锂离子技术,以制造出高容量,长寿命和低成本的阳极材料,并具有可再充电锂电池的巨大商业潜力。

Rice大学工程师Sibani Lisa Biswal和研究科学家Madhuri Thakur领导的研究小组在Nature的开放获取期刊Scientific Reports上报道了硅基阳极 - 一种电池的负极 - 的创建,该电极可以在1000毫安的电压下轻松实现600次充放电循环小时每克(mAh / g)。这是目前石墨阳极350 mAh / g容量的重大改进。

这正好将其置于下一代电池技术领域,竞相降低成本并扩大电动汽车的范围。

赖斯通过长期运行的洛克希德马丁先进纳米技术水稻研究中心(LANCER)开展的新工作是自从四年前合作伙伴开始调查电池以来的下一个也是最大的合理步骤。

“我们以前曾报道过制造多孔硅薄膜,”化学和生物分子工程助理教授Biswal说。 “我们一直在寻求从薄膜几何学转向可以轻松转移到当前电池制造工艺中的东西。 Madhuri粉碎了多孔硅膜,形成了多孔硅颗粒,这种粉末很容易被电池制造商采用。“

硅比现在常用的阳极石墨能容纳10倍以上的锂离子。但是存在一个问题:完全锂化时,硅的体积增加了三倍多。重复时,这种膨胀和收缩会导致硅迅速分解。

许多研究人员一直在研究使硅更适合电池使用的策略。赖斯和其他地方的科学家们创造了具有高表面积和体积比的纳米结构硅,这使得硅可以适应更大的体积膨胀。 Biswal,主要作者Thakur和合着者化学和生物分子工程和化学教授Michael Wong尝试了相反的方法;他们将气孔蚀刻成硅晶片,为材料提供扩展空间。到今年早些时候,他们已经开始研制出更具前景的海绵状硅膜。

塔库尔说,即使这些电影也给制造商带来了问题。 “它们不易处理,难以放大。”但是通过将海绵粉碎成多孔颗粒,材料获得更多的表面积来吸收锂离子。

比斯瓦尔举起了两个小瓶,一个容纳50毫克碎硅,另一个容纳50毫克多孔硅粉。它们之间的差异很明显。 “我们材料的表面积为每平方米46平方米,”她说。 “压碎的硅是每克0.71平方米。因此,我们的颗粒表面积超过50倍,这为我们提供了更大的锂化表面积,并具有充足的空隙空间以适应膨胀。“多孔硅粉末与粘合剂(热解聚丙烯腈(PAN))混合,它提供导电和结构支持。

“作为粉末,他们可以用于工业上的大规模卷对卷加工,”Thakur说。 “这种材料合成起来非常简单,具有成本效益,并且可以在很多周期内提供高能量。”

“这项工作表明,控制硅颗粒的内部孔隙和外部尺寸是多么重要和有用,”Wong说。

在最近的实验中,Thakur设计了一种锂金属半电池作为反电极,并将阳极的容量固定为1,000 mAh / g。这只是其理论容量的三分之一左右,但比目前的电池好三倍。阳极以C / 2的速度持续600次充放电循环(充电2小时,放电2小时)。另一个阳极以C / 5速率继续循环(五小时充电和五小时放电),并且预计在700个循环以上保持在1,000mAh / g。

“在Rice大学和洛克希德马丁任务系统和传感器之间的这一成功的努力将通过开发用于硅阳极材料的这种便宜的制造技术来提供电池技术的显着改进,”与LANCER合作的洛克希德马丁研究员Steven Sinsabaugh说。这篇论文的共同作者和洛克希德马丁公司的研究员Mark Isaacson一起撰文。 “我们对这一突破感到非常兴奋,并期待将这项技术转化为商业市场。”

“下一步将是测试这种多孔硅粉末作为完整电池的阳极,”Biswal说。 “我们以钴氧化物作为阴极的初步结果显示非常有希望,并且我们希望研究新的阴极材料。”

注意:由于飓风桑迪,自然的服务器本周已经下降,自星期一以来没有任何文件发布到科学报告。请查看科学报告网站以获取更新。

资料来源:莱斯大学新闻Mike Williams

图片:Madhuri Thakur /赖斯大学;

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