铝纳米粒子“蛋壳”结构可改善锂电池性能

2016-05-16 10:07:48     来源: 贤集网

铝纳米粒子“蛋壳”结构可改善锂电池性能

充电电池的电极在充放电循环过程中,电极体积会变大变小,有时甚至会增大到体积的两倍。这一过程会导致不可逆消耗锂的表层反复脱落和变化,从而慢慢地降低电池的性能。


现在麻省理工大学和中国清华大学的一个研究小组找到了解决这一问题的新方法:采用纳米粒子构造了含坚实外壳和“蛋黄”的电极,这一“蛋黄”可反复改变大小而不影响外壳的体积。此小组说,这次的创新可大大改善电池的循环寿命,并且大大促进了电池容量和功率的提升。


麻省理工学院的Ju Li和其他六位教授在《自然通讯》杂志上发表的一篇论文中公布了这一发现。此发现将铝作为锂离子电池阴极或阳极的主要材料。研究人员说,铝蛋黄和二氧化钛外壳中纳米粒的使用被证明使得该电极成为“高容量阳极中的冠军”。


作为充电电池中使用最广泛的形式,多数锂离子电池使用石墨(碳的一种形式)作为阳极。石墨的电荷存储容量是0.35Ah/g。探究一定克数下可提供更大电荷存储的其他材料这一课题,研究人员已探索了许多年。例如,每克金属锂存储的电荷大约是石墨的十倍,但它极其危险,它可能引起短路甚至着火。硅和锡有高的容量,但在高速率充放电过程中容量会降低。


铝的理论容量是2Ah/g,且它是一种低成本选择。但是铝和其它高容量材料一样,Li说,“当它们实现高容量或吸收锂时,体积会增大。释放锂时,体积又会收缩”。


铝粒子的膨胀和收缩引起了机械应力,这致使电触点断开。同时,与铝接触的液体电解质在一定的充/放电电压下会分解,这会形成固体电解质相界面膜(SEI)。由于电池体积反复的膨胀收缩致使SEI脱落,所以铝也不行。结果,开发应用于锂离子电池的铝电极试验至今都失败了。


于是,铝以蛋壳纳米粒子的形式应用于电池的主意产生了。在纳米技术中,“核壳”和“蛋壳”纳米粒子结构的区别很大。前者的壳与核直接相连,但蛋壳结构的粒子的特点是两者间有空隙—相当于蛋清。因此,“蛋壳”材料可自由地膨胀收缩,而对“壳”的尺寸和稳定性没有影响。



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