“石榴電極”研制成功 電池容量可增10倍

近日美國科學(xué)家成功破解此前鋰離子電池中的硅電極容易破裂的難題，成功研制出一種硅納米顆粒和碳制成的新型電極，而這居然是受石榴的影響。

研究中，美國斯坦福大學(xué)和美國能源部下屬SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室副教授崔毅(音譯)和他的研究小組，通過一種在石油、油漆以及化妝品生產(chǎn)中常用的微乳液技術(shù)，研究人員把硅納米顆粒像石榴子一樣用碳包裹了起來，不但為每個(gè)硅納米顆粒穿上了一件“碳衣”，還為每一組硅納米顆粒蓋上了一層“碳被”，成功解決難題。

硅納米粒子的使用，縮小了硅的體積，降低了發(fā)生破裂的概率;“碳衣”和“碳被”不但大幅減少了硅暴露在電解質(zhì)中的面積，還為電流的傳導(dǎo)提供了一條堅(jiān)固的高速公路，此外，考慮到充電時(shí)硅納米顆粒會(huì)發(fā)生膨脹，研究人員還在“碳衣”“碳被”里為它們留下了富余的空間，通過精確控制生產(chǎn)過程，他們已經(jīng)能夠?yàn)樗枰碾姌O生產(chǎn)出特定大小的硅納米顆粒。

電極是電池的關(guān)鍵部件，有陽極和陰極之分，此前就有研究表明，硅陽極具有極好的性能，用其制成的鋰離子電池能比目前廣泛使用的石墨陽極多存儲(chǔ)10倍以上的電能，但其最大的缺點(diǎn)是不可持續(xù)性：這種電極在充電過程中極易發(fā)生膨脹甚至破裂，硅在脫落后還會(huì)與電池中的電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成一種泥狀物質(zhì)，降低電池性能和使用壽命。

實(shí)驗(yàn)測試顯示，這種石榴結(jié)構(gòu)的陽極具有優(yōu)良的性能，用它制造的電池在完成1000次充放電后還有97%的電量，完全能夠滿足實(shí)用要求。

崔毅說，為了使這項(xiàng)技術(shù)能夠更快商業(yè)化，還需要解決兩個(gè)問題：一是簡化制造流程，二是找到更便宜的硅納米顆粒來源。目前他們發(fā)現(xiàn)稻殼或許會(huì)成為一個(gè)很好的原材料，這種農(nóng)作物副產(chǎn)品來源穩(wěn)定，產(chǎn)量極高，按重量計(jì)算，20%能被制成二氧化硅，而二氧化硅可以非常容易的被轉(zhuǎn)化為制造電極所需的純硅納米顆粒。

最近幾年，斯坦福的科學(xué)家一直致力于硅納米電池的研究，這次給硅納米粒子“穿衣蓋被”算是其中非常重要的一步，在穩(wěn)定性、壽命等重要商業(yè)化指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)突破，為新型電池問世掃除了不少障礙，而對(duì)于移動(dòng)電子終端而言，這種10倍電量電池也將意味著新一輪發(fā)展浪潮的到來。