硅基阳极比目前的石墨阳极有显著改善

多孔硅粉与热解的聚丙烯腈混合

多孔硅粉与热解聚丙烯腈的混合是锂离子电池坚固阳极的基础。赖斯大学用这种粉末开发的阳极在实验室中已经实现了600多次充放电循环。资料来源:Madhuri Thakur/Rice大学

美国莱斯大学的科学家们正在与洛克希德·马丁公司合作研究下一代电池技术,他们报告称,一种硅基阳极可以轻松实现600次充放电循环,每克1000毫安小时(mAh/g)。

赖斯大学的研究人员通过字面上粉碎了他们以前的工作来制造了高容量,长的和低成本的阳极材料,为可充电锂电池的严重商业潜力制造了高容量,长寿和低成本的阳极材料。

由赖斯工程师Sibani Lisa Biswal和研究科学家Madhuri Thakur的团队报告在大自然的开放访问中《科学报告基于硅的阳极,电池的负极,可以轻松实现600次充放电循环,每克1000毫安小时(mAh/g)。这是一个显著的改进,超过350 mAh/g的电流石墨阳极的容量。

这让它直接进入了下一代电池技术领域,以降低电动汽车的成本,扩大电动汽车的行驶里程。

莱斯通过洛克希德·马丁先进纳米技术卓越中心(LANCER)进行的这项新工作,是自合作伙伴四年前开始研究电池以来,合乎逻辑的下一个和最大的一步。

“我们以前报道了制作多孔硅片,”化学和生物分子工程助理教授Biswal说。“我们一直希望远离电影几何形状,以便可以轻松转移到电流电池制造过程中的东西。Madhuri压碎了多孔硅膜,形成多孔硅颗粒,粉末可以易于用电池制造商采用。“

硅可以比今天阳极常用的石墨更多的锂离子容纳10倍。但是存在问题:硅在完全锂化时超过其体积。当重复时,这种膨胀和缩小导致硅快速分解。

许多研究人员一直在研究使硅更适合电池使用的策略。莱斯大学和其他地方的科学家已经创造出具有高表面体积比的纳米结构硅,这使得硅能够容纳更大的体积膨胀。Biswal和Thakur的第一作者以及化学和生物分子工程及化学教授Michael Wong尝试了相反的方法;yabovip2021他们在硅片上蚀刻小孔,以使材料有膨胀的空间。到今年早些时候,他们已经发展到制造海绵状硅薄膜,前景更加光明。

塔克尔说,即使这些电影也为制造商提出了问题。“他们不容易处理,并且很难扩大。”但是,通过将海绵压入多孔晶粒,材料增长了更多的表面积以吸收锂离子。

Biswal拿着两个小瓶,一个装着50毫克的碎硅,另一个装着50毫克的多孔硅粉。他们之间的差异是显而易见的。“我们的材料的表面积是46平方米每克,”她说。“粉碎的硅是0.71平方米每克。因此,我们的粒子有超过50倍的表面积,这使我们有更大的表面积用于锂化,有足够的空隙空间来容纳膨胀。”多孔硅粉与粘合剂,热解聚丙烯腈(PAN)混合,提供导电和结构支撑。

Thakur说:“作为一种粉末,它们可以用于工业上的大规模卷对卷加工。”“这种材料合成起来非常简单,成本效益高,而且在大量循环中具有很高的能量。”

“这项工作表明,能够控制内部孔隙和硅颗粒的外部尺寸是多么重要和有用,”Wong说。

在最近的实验中,Thakur设计了一个带锂金属作为对电极的半电池电池,并固定了阳极的容量至1000mAh / g。这只是其理论能力的三分之一,但比目前电池好三倍。阳极以C / 2速率(2小时电荷和两小时放电)持续600个充电放电循环。另一个阳极以C / 5速率(五小时充电和五小时放电)继续循环,预计将保持在1000mAh / g以上超过700次循环。

“这种成功的努力在大米大学和洛克希德马丁代表团系统和传感器之间通过开发这种廉价的阳极材料的廉价制造技术来提供显着的改进,”洛克希德马丁·家庭合作,坐着本文的共同作者以及洛克希德马丁研究员马克·艾萨克森。“我们真的很兴奋这一突破,并期待将这种技术转变为商业市场。”

Biswal说:“下一步将是测试多孔硅粉作为全电池的阳极。”“我们以氧化钴作为阴极的初步结果看起来非常有希望,我们希望研究新的阴极材料。”

笔记当前位置由于飓风“桑迪”的影响,《自然》杂志的服务器本周宕机,自周一以来《科学报告》也没有发表任何论文。请检查科学报告网站更新。

图片:Madhuri Thakur /赖斯大学;

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