石榴的启示:硅纳米锂电池朝着商用化又迈出了一步

boxi · 5年前
电池是移动技术及电动车技术的发展瓶颈,一直以来未有大的突破,不过曙光似乎已经隐现。


电池是移动技术及电动车技术的发展瓶颈,一直以来未有大的突破,不过曙光似乎已经隐现,其中硅锂电池被认为是突破电池瓶颈的希望之一。但这种技术目前仍存在一些障碍。好消息是,据自然纳米科技报道,斯坦福大学及美国能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员从石榴身上汲取灵感,找到了突破障碍的新办法。

我们的手机、平板及电动汽车都要用锂电池。这些锂电池普遍采用石墨阳极。所谓阳极,是指电池充电时用来储能的东西。与石墨阳极相比,硅阳极的储能能力是前者的10倍。

但是硅阳极也有自身的缺点:脆弱。硅的脆弱会导致两个问题:

1)充电的时候硅会膨胀然后碎裂;

2)硅会与电池的电解液产生反应,形成粘性物质,阳极被这些粘性物质裹住后性能会退化。

以崔屹为首的这个团队之前曾试图通过利用纳米技术、弹性聚合物、研发自愈电极的办法来解决这一问题。纳米材料由于非常细小所以很难再分裂,这可以在一定程度上解决硅阳极的问题,而弹性聚合物则善于修补裂缝。其实验取得了一定的成绩—自愈电极在充放电100 次后仍能保持电量基本不变。但这与手机500次充放电、电动车3000次充放电的商用目标仍有距离。

这一次这个团队决定从石榴身上汲取灵感来寻找新突破。

石榴的启示:硅纳米锂电池朝着商用化又迈出了一步
膨胀前后的碳壳硅“石榴”

研究生Nian Liu,博士后Zhenda Lu是该团队的成员之一。他们利用了石油、油画及化妆品业常见的微乳剂技术将硅“蛋黄壳”聚集到一起形成群簇,,然后再用更厚的一层碳将每一群簇包裹起来—就像石榴籽一样。碳壳保护了石榴群簇,为电流提供了一条稳定的高速公路。

而每一个石榴群簇暴露的表面仅为内部纳米粒子摊开后表面的1/10,因此与原来相比,与电解液接触的区域小了很多,产生的粘性物质自然也减少了,令电池更可控。

这群不可见的碳壳硅“石榴”可做成黑粉,涂抹在金属箔上就能形成阳极。实验表明,做到商用电池性能所需的厚度时这些石榴电极仍表现很好,实验表明,这种阳极在充放电1000次之后电池容量仍能维持97%,已经接近于商用的要求次数。

但崔屹说,真正实现技术的商用化仍有2个问题待解决:

1)碳壳硅“石榴”阳极的生产过程仍有待简化。

2)需要为硅纳米粒子寻找更廉价的来源。Liu认为从体量上看占二氧化硅20%的谷壳是可能的硅来源之一,因为这种东西转化为纯硅纳米粒子相对容易。

(配图:Greg Stewart/SLAC,图示为效果图,非电池的实际样子)

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