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美国利用磷制新阳极 可将锂离子电池容量提高至少9倍

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58京牌 ,美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的科学家们在高容量锂离子电池研发方面取得了新进展,可满足日益增长的电池消费需求。

(图片来源:阿贡国家实验室)

随着路上的越来越多,人们对消费电子产品依赖性日益增强,研发高容量,或者能够存储大量电量的锂离子电池的需求也随之高涨。

增加锂离子电池总容量的其中一种方法是增加阳极或负极的能量容量。在过去几十年中,最先进的锂离子电池都由石墨阳极制成,石墨的能量容量是固定的,意味着其容量不会衰减,而且此种材料不会开裂,即使电池经过了1000次的充放电循环。不过,石墨的理论能量容量较低,无法满足当今社会日益增长的能源需求。

在一项新研究中,由美国能源部阿贡国家实验室研究人员领导的一支研究团队展示了一种容量更高的阳极材料。该复合材料最初为钠离子电池研发,而商用钠离子电池比锂离子电池的使用次数更少。于是,该项研究就试图将此种材料应用到锂离子电池中。

最近,有两种材料站到了下一代电池阳极研究的前沿——硅和磷。理论上,硅和磷的能量容量至少是石墨的10倍,即可以超过锂离子电池的能量容量要求。根据阿贡国家实验室杰出研究员兼高级材料科学家Khalil Amine所说,硅有两个问题,其一是充电过程中,硅在锂化时会大面积膨胀,可能会导致此种阳极材料断裂,从而导致电池能量容量损失。

第二个问题与初始库伦效率(ICE)有关。当电池完成一个完整的充放电循环后,从理论上看,电池电荷输出应该与电荷输入一致。但是,由于锂与阳极材料发生反应,电荷输出中的一些能量会损失掉。为了研发实用性锂离子电池,在首次充放电循环时,电池输出电荷与输入电荷的比率应该在90%以上,即库伦效率要达90%。但是,硅阳极锂离子电池的库伦效率低于80%,导致此种电池不实用。

于是,阿贡国家实验室的研究人员研究了两种磷:黑磷和红磷。研究人员表示:“磷的能量容量很高,库伦效率也很高,超过90%。”库伦效率高于90%意味着阳极材料和电解质之间几乎没有发生副反应,在电池初始充放电循环中锂的损失并不多。

因此,该团队自主研发了阳极复合材料,主要由黑磷和导电碳化合物组成,其中黑磷是一种理论上容量很高的导体。为了打造该复合材料,研究人员还将大块的磷与导电碳研磨成微米大小的颗粒,以增加阳极的密度。

当测量电池的寿命周期,即可以充放电多少次时,研究人员采用了阿贡国家实验室先进光子源(APS)和纳米材料中心(CNM),这两个都是能源部科学用户设施办公室下属机构。采用APS现场存储环光源X射线衍射以及CNM的现场扫描电子显微镜,该团队可以观察到电池反复充放电时,阳极相位和体积的变化情况。

在证明了黑磷复合材料具有稳定性后,该团队研发了由红磷制成的复合材料。尽管黑磷的导电性比红磷好,但是在用于市场应用时太昂贵。在采用了经济实惠的红磷复合材料后,该电池的稳定性与采用黑磷的电池类似,而且还具有很高的库伦效率以及很高的实际容量。

目前,该团队正在研究主要由红磷制成的复合材料,而且该材料也显示出很有发展前景的结果。

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