研究人员首次生产均匀的锑纳米晶体

研究人员生产均匀的锑纳米晶

研究人员首次生产了均匀的锑纳米晶体,在替代储能勘探中迈出了一大步。

EMPA和Eth苏黎世的研究人员首次成功地生产均匀的锑纳米晶体。作为实验室电池的组件测试,这些能够存储大量锂和钠离子。这些纳米材料以高速运行,最终可以用作未来的高能密度电池中的替代阳极材料。

狩猎是开 - 用于在下一代电池中使用的新材料,可能有一天更换电流锂离子电池。如今,后者是普遍的,为智能手机,笔记本电脑和许多其他便携式电气设备提供可靠的电源。然而,一方面,电动流动性和静止电力存储需求更多的强大电池;并且对锂的高需求可能最终导致原料的短缺。这就是为什么基于钠离子的概念相同技术将在未来几年接受越来越关注。虽然研究了20年,但可以存储钠离子的材料仍然稀缺。

锑电极?

由EMPA和ECH ZURICH的团队由EMPA研究员MAKSYM KOVALENKO可能已经走近识别替代电池材料的一步:它们已成为第一个合成均匀锑纳米晶体的型材,其特殊性质使其成为阳极材料的主要候选者锂离子和钠离子电池。科学家学习的结果刚刚以纳米字母发布

长期以来,锑已经被视为高性能锂离子电池的有希望的阳极材料,因为该金属酸性具有高充电能力,比常用石墨的倍数高。初步研究表明,锑可能适用于可充电锂和钠离子电池,因为它能够储存两种离子。钠被认为是锂电池可能的低成本替代品,因为它更自然丰富,其储备更均匀地分布在地球上。

然而,为了实现其高存储能力的锑,需要以特殊形式生产​​。研究人员设法化学合成了均匀的所谓的“单分散” - 锑纳米晶体,其尺寸为10至二十纳米。纳米晶体对较大尺寸的颗粒具有决定性的优势:锑的全锂化或调解导致大容量变化。使用纳米晶体,这些体积的调节可以是可逆且快速的,并且不会导致材料的立即断裂。纳米晶体(或纳米颗粒)的另外的重要优点是它们可以与导电碳填料混合,以防止纳米颗粒的聚集。

阳极材料的理想候选者

电化学试验表明,锑纳米晶体制成的电极在钠和锂离子电池中同样良好地进行。这使得锑对钠电池具有特别有希望的,因为最佳锂储存阳极材料(石墨和硅)不与钠操作。

高度单分散的纳米晶体,尺寸偏差为10%或更低,允许识别最佳尺寸 - 性能关系。由于过度的表面积,10纳米或较小的纳米晶体受到氧化。另一方面,由于在电池操作期间的前述大量体积膨胀和收缩,直径为100纳米直径的锑晶体并不足够稳定。研究人员通过20纳米大颗粒实现了最佳效果。

通过这些超均匀颗粒使能的研究的另一个重要结果是,研究人员鉴定了大约20至100纳米的尺寸范围,其中该材料在能量密度和速率方面表现出优异的,尺寸无关的性能-能力。这些特征甚至允许使用多分散锑颗粒获得与具有非常单分散颗粒相同的性能,只要它们的尺寸保持在20至100纳米的尺寸范围内即可。Kovalenko在其他材料的单分散纳米粒子上的实验显示了较陡峭的尺寸 - 性能关系,例如快速性能衰减,随着粒度的增加,将锑置于材料中的独特位置合金用锂和钠。“这极大地简化了找到经济上可行的合成方法的任务”,Kovalenko说。“这种成本效益的综合的发展是我们与我们的工业伴侣一起的下一步。”

更昂贵的替代品

这是否意味着今天的锂离子电池的替代方案是在我们的掌握中?Kovalenko摇了摇头。虽然该方法相对简单,但生产足够数量的高质量均匀锑纳米晶体仍然太昂贵。“总而言之,随着阳极的钠离子和锑纳米晶体的电池将仅为当今锂离子电池的高度有前途的替代方案,如果生产成本将是可比的,”他说。

在带有锑电极的钠离子电池可能达到市场之前,它很可能是另一十年左右。对该主题的研究仍然仅在其初期阶段。“然而,其他研究小组很快就会加入努力,”化学家相信。

简而言之:锂离子电池

电流锂离子电池包括两个电极 - 阴极和阳极。阳极通常由石墨制成,金属氧化物如氧化钴的阴极。在充电或放电过程中,锂离子在这些材料中寄出本身。两个电极通过分离器分离,仅适用于在两个电极之间行进的锂离子。在电池放电期间,锂离子从阳极转向阴极。电子通过外部电子设备采用“绕路”,该外部电子设备由所得到的电子通量供电。电子和离子在阴极上再次相遇。当电池充电时,锂离子和电子沿相反方向流动。对于电池有效地工作并且长时间工作,离子需要能够容易地进入和脱离电极材料。电极材料的形状和尺寸不应通过反复化吸收和离子的释放来改变。

出版物:萌他,等,“用于高速锂离子和Na离子电池阳极的单分散锑纳米晶:纳米与散装,”纳米盐。,2014,14(3),PP 1255-1262; DOI:10.1021/ nl404165c.

图片:Eth苏黎世

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