日本冲绳县科技研究生院(OIST)的一项新研究发现了一种可以改善锂离子电池负极的特殊材料。

锂离子电池是现代技术的重要组成部分,在智能手机,笔记本电脑和电动车中找到。传统上,石墨用于锂离子电池的阳极,但这种碳材料具有重大限制。“当电池充电时,锂离子被迫从电池的一侧移动 - 阴极 - 通过电解质溶液到电池的另一侧 - 阳极。然后,当使用电池时,锂电池离子返回到阴极,电流从电池中释放,“OIST和新研究学习第一作者的前研究员Marta Haro博士解释说。“但在石墨阳极中,需要六个碳原子来存储一个锂离子,因此这些电池的能量密度低。”

随着科学和工业目前探索使用锂离子电池的电动汽车和航空航天工艺,提高能量密度至关重要。研究人员现在正在寻找可以增加阳极中储存的锂离子数量的新材料。最有前途的候选者之一是硅,可以为每一个硅原子结合四个锂离子。“硅阳极可以存储在给定体积中的10倍的电荷,比石墨阳极 - 在能量密度方面的整个数量级,”Haro表示。“问题是,随着锂离子进入阳极,体积变化巨大,高达约400%,导致电极断裂和断裂。”

巨大的体积变化也阻止了电解质和阳极之间保护层的稳定形成。因此,每次电池充电时,这一层必须不断进行改造,耗尽有限的锂离子供应,减少电池的寿命和可充电性。

该研究的目标是创造一种能够抵抗这些应力的更强大的阳极,这可以在劣化之前尽可能多地吸收尽可能多的锂。采取的方法是使用纳米颗粒构建结构。

以前,通过设计单元开发了现在解散的OIST纳米颗粒的蛋白质层状结构,其中每层硅层夹在钽金属纳米粒子之间。这种改善了硅阳极的结构完整性,防止过膨胀。在试验不同厚度的硅层,看看它如何影响材料的弹性特性,研究人员注意到了一些奇怪的东西。“硅层的特定厚度有一个点,其中结构的弹性特性完全改变,”Theo Bouloumis,电流博士学位说道。在OIST进行这个实验的学生。“当硅层的厚度进一步增加时,该材料变得逐渐变得更硬,然后在刚度的厚度上迅速下降。我们有一些想法,但当时,我们不知道发生这种变化发生的根本原因。”

新的研究为某一临界厚度下刚度的突然峰值提供了一个解释。通过显微镜技术和原子水平的计算机模拟,研究人员显示,当硅原子沉积在纳米颗粒层上时,它们并没有形成均匀的薄膜。相反,它们会形成倒锥状的柱状结构,随着硅原子的增多而变宽。最终,单个的硅柱相互接触,形成一个拱形结构。拱形结构很坚固,就像在土木工程中拱门很坚固一样。同样的概念也适用于纳米尺度。

结构增加的强度与增强的电池性能相吻合。当科学家进行电化学测试时,他们发现锂离子电池的充电容量增加。保护层也更稳定,这意味着电池可以承受更多电荷循环。