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2020年08月13日 | 研究人员将胶带变成薄膜取代锂金属电池阳极 提升锂金属电池性能
2020-08-13
据外媒报道，美国莱斯大学（Rice University）的化学家James Tour与同事将胶带变成了硅氧化物薄膜，取代锂金属电池中的阳极。
（图片来源：莱斯大学）
在该项研究中，研究人员利用红外激光切割器将商用胶带上的硅基粘合剂变成了多孔氧化硅涂层，与胶带聚酰亚胺衬底中的少量激光诱导石墨烯混合。此种具有保护作用的氧化硅层直接在现有电池的集电器上形成。
Tour表示，此前曾尝试生产激光诱导石墨烯独立薄膜，因此产生了利用胶带的想法。与纯聚酰亚胺薄膜不同，该胶带不仅能从聚酰亚胺衬底产生激光诱导石墨烯，还能够在粘合剂所在的地方产生半透明的薄膜，从而引发了研究人员的好奇心以及进一步的实验。
研究人员将胶带黏在一个铜制电流集电器上，并多次涂擦，以迅速将温度提高至2300开氏度（3680华氏度），从而形成了一种多孔涂层，主要由硅和氧组成，并与少量石墨烯形式的碳结合在一起。
在实验中，此种泡沫型薄膜在吸收和释放锂金属的同时，不会形成能够导致电池短路和起火的枝晶。研究人员注意到，在电池使用裸露的集电器进行充放电循环时，锂金属容易迅速降解，但在涂有激光诱导氧化硅（LI-SiO）的阳极中没有观察到该问题。
研究人员表示：“在传统的锂离子电池中，在充电时，锂离子会插入到石墨烯结构中，电池放电时，则会断开插入。当使用全部石墨烯时，需要6个碳原子来存储一个锂原子。但是在锂金属阳极中，没有使用石墨烯。在电池放电时，锂原子直接从金属阳极表面穿梭而出。如果可以解决安全和性能问题，锂金属阳极被认为是未来电池研发的关键技术。”
锂金属阳极的容量比传统的石墨烯锂离子电池高10倍，但是缺少石墨烯的锂金属电池通常会采用过多的锂金属来补偿阳极表面氧化造成的损失。研究人员表示：“当阳极上没有过量的锂金属时，通常就会快速降解，产生循环寿命非常有限的电池。不过，从好的一面来看，此种无阳极的电池会更轻、性能更好，只是使用寿命很短。”
研究人员指出，与没有过量锂金属的电池相比，激光诱导氧化硅电池的寿命增加了2倍。此种覆有激光诱导氧化硅涂层的电池充放电循环次数可达60次，同时保持着70%的容量。Tour表示，这可以让锂金属电池适用于户外探险的高性能电池，或者在农村地区短期停电时，用作高容量存储电池。
只需要采用标准的工业激光器就可实现大规模生产，此种方法速度快，不需要溶剂，可以在室温和室温以下的温度条件下进行。此外，该项技术还可以制造出支持金属纳米颗粒、保护性涂层和过滤器的薄膜。
史海拾趣
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