科学家研发自愈电极,极大延长锂电池寿命

Kryptoners · 5年前
来自斯坦福大学与美国SLAC国家加速器实验室的科学家在《自然》杂志上发表论文,他们研发出了世界首个自愈电极,而其秘诀就在于包在电极上的弹性聚合物,它能捆住在电极上出现的微小裂缝,并自行愈合,该项技术为研发下一代锂电池开创了新局面。

来自斯坦福大学与美国SLAC国家加速器实验室的科学家在《自然》杂志上发表论文,他们研发出了世界首个自愈电极,而其秘诀就在于包在电极上的弹性聚合物,它能捆住在电极上出现的微小裂缝,并自行愈合,该项技术为研发下一代锂电池开创了新局面。

斯坦福博士后研究员、论文主要作者之一王超表示:“自愈功能对动植物的生存极为重要,而我们就想把这种功能应用到锂电池上以延长其寿命。”

王超在斯坦福大学鲍哲南教授的实验室中研发了这种聚合物,后者带领的团队一直致力于研究应用于机器人、传感器及义肢等产品中的弹性电子皮肤,而它正是灵感的来源,另外,为了让聚合物导电,王超往其中加入了碳纳米颗粒。

鲍教授说,包被上了自愈聚合物的硅电极只需几个小时便能修复任何裂缝,电池寿命则相应延长至原有的十倍。

目前,该电极在充放电100次后仍能保持电量基本不变,对此,副教授崔毅表示该电极已经具备了实用价值,虽然距离手机的500次充放电以及电动车的3000次充放电目标相去甚远,但从数据上看来日必定成功。

为了打造轻型高效电池,全球的研究员都在想办法让锂离子电池负电极存储更多电能,而硅则是最有发展潜力的电极材料之一,因为它能在电池充电时从电池液中高容量吸收锂离子,并在电池工作时释放。

硅电极也有美中不足之处,在电池充电时它会膨胀三倍,放电时则回缩至原有大小,故极易破裂,降低电池性能。论文的另外一名主要作者、前斯坦福博士后吴辉表示,该问题在高容量电池电极中普遍存在。

为了研发自愈材料,研究人员故意降低了长链状聚合物中的某些化学键强度,使它们在破损时也能黏连起来,就像DNA一样分离重组。下面的视频中,气球被包被上自愈材料,通过不断充放气来模拟电池充放电过程,结果很明显,聚合物伸展却不破裂。

来自崔毅实验室及其它地方的研究员试过了数种方法来保持电极完整性与提高其性能,有一些用于商业,但多数需要罕见的材料或高超的工艺,因此难以推广。

而本次研究则采用了广泛应用于半导体及太阳能电池中的硅粒子,崔毅表示这是实用之路的首选材料。研究人员还表示该方法对其它电极材料也有效,日后会继续完善提高硅电极的性能与寿命。

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