铅笔所用的材料(石墨)长期以来一直是当今锂离子电池的关键部件。然而,随着对这些电池的依赖增加,石墨基电极将迎来升级。

用于电脑芯片和许多其他产品的硅之所以吸引人,是因为它每克的电荷容量是石墨的10倍;然而,硅在遇到锂时膨胀很大,太弱而无法承受电极制造的压力。研究人员已经开发出一种独特的纳米结构,可以在用碳强化硅的同时限制硅的膨胀。这项工作可以为其他类型的电池提供新的电极材料设计,并最终帮助增加电动汽车、电子设备和其他设备中锂离子电池的能量容量。

作为碳的一种导电和稳定的形式,石墨非常适合在充电时将锂离子填充到电池的阳极中。硅比石墨能吸收更多的锂,但它的体积往往会膨胀300%左右,导致阳极破裂。研究人员通过将小的硅颗粒聚集成直径约8微米的微球(大约一个红细胞大小),创造出一种多孔硅。

多孔硅结构电极的厚度变化小于20%,同时可容纳两倍于典型石墨阳极的电荷。与之前的多孔硅不同,由于碳纳米管使微球看起来像纱线球,这种微球还表现出了非凡的机械强度。

研究人员分几个步骤创造了这种结构,首先是在碳纳米管上涂上氧化硅。接下来,纳米管被放入油和水的乳液中。然后它们被加热到沸腾。当水蒸发时,包覆的碳纳米管凝结成球体。然后用铝和更高的热量将氧化硅转化为硅,然后浸泡在水和酸中去除副产品。这个过程产生的是一种由碳纳米管表面的微小硅颗粒组成的粉末。

用原子力显微镜探针测试了多孔硅球的强度。其中一个纳米纱球在非常高的压缩力下可能会轻微屈服并失去一些孔隙,但它不会断裂。阳极材料必须能够处理高压缩辊在制造期间。

下一步是开发更可扩展和更经济的方法来制造硅微球,以便有一天它们可以用于下一代高性能锂离子电池。

欲了解更多信息,请与Tom Rickey联系此电子邮件地址正受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用JavaScript才能查看它。;509-375-3732。


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本文首次发表于2020年10月号yabovip16.com杂志。

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