科学家开发拱形纳米结构 可提高大容量电池的结构完整性

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  科学家们希望提高当今锂离子电池性能的方法之一是在设计中加入硅,这可以使其容量提高10倍。日本的一个研究小组已经想出了一种方法,克服了迄今为止困扰这些努力的耐久性问题,依靠由微小的纳米级拱形材料制成的阳极组件,提供一些急需的强度。

  今天的锂离子电池由一对电极和电解质溶液组成,以在两者之间携带锂离子,其中一个电极称为阳极,由石墨制成。锂离子电池在智能手机、笔记本电脑、电动汽车等各种用途上都有很好的应用,但科学家们看到了其他方面的可能性。

  “当电池正在充电时,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,”新研究的第一作者Marta Haro博士说。“然后,当电池被使用时,锂离子会移回阴极,并从电池中释放电流。但在石墨阳极中,需要6个碳原子才能储存一个锂离子,所以这些电池的能量密度很低。”

  同时,使用硅来代替石墨,可以显著提升这种能量密度,因为每个硅原子可以与四个锂离子结合。但迄今为止,为实现这一目标所做的努力遇到了稳定性问题,因为硅并不像石墨那样具有耐用性,往往会在电池循环时膨胀、收缩和破裂。

  “硅阳极在给定体积内可以存储的电荷量是石墨阳极的10倍--在能量密度方面高出整整一个数量级,”Haro博士说。“问题是,当锂离子移入阳极时,体积变化巨大,高达400%左右,这会导致电极断裂和破裂。”

  我们已经看到了一些创造性的解决方案,以解决硅阳极的这种耐久性问题,包括将材料加工成海绵状的纳米纤维,微小的球体,或将其夹在碳纳米管片之间。

  Haro和冲绳科学技术研究生院(OIST)的一个研究小组正在探索另一种技术,涉及一种类似于蛋糕的结构,在金属纳米颗粒之间放置硅层。该团队正在用不同厚度的硅层进行实验,并找到了一个甜蜜点,使材料具有一些非常有用的特性。

  “材料逐渐变得更硬,但当硅层厚度进一步增加时,刚度又迅速下降,”研究作者Theo Bouloumis说。“我们有一些想法,但当时我们并不知道这种变化发生的根本原因。”

  仔细观察发现,当硅原子沉积到金属纳米颗粒上时,它们会形成倒锥体形状的小柱子,朝上更厚。这意味着,随着更多硅原子的沉积和柱子的高度增长,它们的宽度会增长到足以相互接触,并形成一个纳米级的拱形结构。

  “拱顶结构很坚固,就像土木工程中的拱门很坚固一样,”该研究的高级作者Panagiotis Grammatikopoulos博士说。“同样的概念也适用,只是在纳米尺度上。”

  该研究发表在《Communications Materials》杂志上。

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