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鋰電池的儲存量新增一倍的材料簡述

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2022年08月03日  

多年來,大規模生產的鋰離子電池依靠石墨和銅作為其陽極。多年來,研究人員一直在尋找可以克服這些材料的限制的替代材料,其中包括高成本的生產和有限的存儲容量(例如,硅可以存儲10倍的能量,盡管它構成了另一系列問題)。


創建現今的陽極是一個費力的多步驟過程,其中石墨被涂覆銅箔上。然而,正如德克薩斯大學奧斯汀分校材料科學家兼新研究主要作者KarlKreder所解釋的,就制造工藝和電池本身而言,這樣做會導致效率低下。


Kreder表示:“所以活性材料(石墨)涂在惰性集電器(銅)的頂部。這增加了系統的體積和非活性材料質量,通過將集電器和活性材料結合在一起,可以使用更高容量的活性材料,同時使用更少的非活性電流收集材料。”


Kreder和他的團隊通過簡化的制造方法實現了這一點,該方法省去了繁瑣的涂覆工藝。當錫被鑄造成塊時,錫能夠直接加入到鋁中,從而形成合金,然后可以機械地軋制(相對便宜和普通的冶金合金化工藝)成納米結構的金屬箔。最后一步,材料中的顆粒減少,這是至關重要的。


Kreder解釋說:“錫可以與鋰形成合金。不幸的是,如果使用錫箔或者甚至使用微米大小的錫顆粒,錫在與鋰形成合金時由于體積膨脹而循環時會斷裂,這意味著如果用大的錫顆粒制造電池,僅能維持數十次的充放電循環,但如果制造納米級的錫顆粒,合金化過程中顆粒不會分裂。”


研究人員將所得到的材料稱為交叉共晶合金(IdEA)陽極,他們認為其厚度僅是傳統陽極材料的四分之一,而重量僅有傳統材料的一半。他們在小型鋰離子電池中對這種陽極材料進行測試,然后對其進行充電和放電以測量性能。他們發現,這種陽極的電量儲存能力是傳統銅-石墨陽極的兩倍。


克雷德說:“這樣做的原因很好,其中一個元素是活性的,錫,另一個是惰性的,鋁。“鋁制造了一個導電的基體,在這個基體中錫保持著,鋁提供了結構和導電性,而錫在電池循環時與鋰合金化和去合金化。


該團隊的負責人之一,德克薩斯州材料研究所所長ArumugamManthiram表示:“能夠開發出一種便宜、,可擴展的電極納米材料制造工藝,實在令人振奮。我們的研究結果表明,這種材料在鋰離子電池商業化進展所需的性能指標方面取得了成功。”


該研究成果發表在《ACSEnergyLetters》雜志上。

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