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2021年02月20日 | 瑞典研发新型硅阳极锂电池 可大规模降低生产成本
2021-02-20
导读：瑞典的科学家们开发出一种新的气凝胶工艺来制造锂离子电池的硅阳极，有望提供比现在销售的电池容量大大增加的电池。通过在石墨上生长纳米大小的硅颗粒，该研究小组能够展示一种克服硅作为负极材料常见的许多挑战的装置。虽然在稳定性和容量保持方面仍然存在挑战，但这种方法最终可以产生低成本、大规模的生产工艺。
使用石墨作为负极材料的背后，是当今锂离子电池的许多限制。虽然是一种可靠的材料，但石墨的理论容量相对较低，以及在高电流密度下失去这种容量的倾向，是阻碍商用锂离子电池容量和性能重大改进的两个因素。
硅是研究人员争相关注的几种新负极材料之一，它的理论容量约为石墨的十倍，当然有很大的潜力。然而，在电池循环过程中，硅容易膨胀继而分崩离析，导致性能迅速下降。
研究人员已经发现了各种解决方法，包括一开始就使硅多孔，或者使用碳纳米管的“支架”结构。然而，在这个研究的早期阶段，很少有人关注所研究的工艺的成本或潜在的可扩展性。
瑞典中部大学的科学家们希望解决这个问题，他们研究了一种硅阳极生产的新工艺，即利用“气凝胶”工艺将纳米大小的硅颗粒涂在石墨片上。利用这种工艺，他们生产出了一种阳极，在每克100毫安时的电流密度下，其比容量为455毫安时（mAh／g－1），库仑效率为97％。关于这种阳极的工艺和特性的细节发表在《科学报告》中，论文为《高性能锂离子电池的硅纳米石墨气凝胶基阳极》。
该阳极依靠石墨作为添加剂来提高电导率并连接微小的硅纳米颗粒。在第一个周期，阳极的容量达到1050 mAh／g－1，接近硅的理论极限。30次循环后，这一数值迅速下降到初始值的57％，100次循环后下降到52％。研究人员指出与原始硅、研磨硅或热处理硅的结果相比，这是一个重大的进步。在第一个循环时，阳极的比能量被测得为787瓦时／公斤（Wh／kg），200次循环后下降到341．25 Wh／kG。
虽然其他方法在容量保持方面表现出更强的结果，但研究人员在此指出，这些方法往往依赖于复杂或昂贵的工艺，不适合大规模生产。研究人员表示：“硅纳米颗粒通过气凝胶制造路线从硅粉末和纳米石墨使用聚乙烯醇（PVA）生长在纳米石墨片上，方法简单，成本效益高，可扩展，不需要昂贵的设备进行合成。在这项研究中，我们表明基于这种结构制备的电极显示出高比容量和循环稳定性，因此是一种潜在的具有成本效益的硅基阳极方法。”
史海拾趣
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