鋰電池有望實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽！科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“中空”的銻晶體

近日，據(jù)外媒《自然-納米技術(shù)》雜志報(bào)道稱，來自佐治亞理工學(xué)院、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了一種材料——銻晶體，可使鋰離子電池在不犧牲電池壽命的情況下，擁有更多的能量。它在充放電循環(huán)過程中會(huì)自發(fā)地、可逆地中空，這一備受期待的特性可以在不影響安全的前提下促進(jìn)更大的能量密度。

據(jù)介紹，鋰離子電池通過在兩個(gè)電極(負(fù)電的陰極和正電的陽極)之間來回傳輸離子來產(chǎn)生電力。但在目前的狀態(tài)下，它們已經(jīng)到了極限，即增加鋰離子流動(dòng)的努力因陽極材料的老化而受阻，陽極材料在充電和放電過程中會(huì)膨脹和收縮，導(dǎo)致更大的壓力，從而降低電池的壽命。

現(xiàn)在，科學(xué)家從直徑是人類頭發(fā)直徑的千分之一的微小顆粒中看到了一個(gè)解決方案。由于納米材料銻晶體中空的空隙可以適應(yīng)電池充放電時(shí)的體積變化，同時(shí)提供穩(wěn)定的外表面，從而提高循環(huán)能力。

“有意地對(duì)中空納米材料進(jìn)行工程化已經(jīng)有一段時(shí)間了，這是一種很有前途的方法，可以提高高能量密度電池的壽命和穩(wěn)定性，”佐治亞理工學(xué)院的研究員Matthew McDowell表示，“問題一直是，以商業(yè)應(yīng)用所需的大尺度直接合成這些中空納米結(jié)構(gòu)是具有挑戰(zhàn)性的，而且成本很高。我們的發(fā)現(xiàn)可以提供一種更簡(jiǎn)單、精簡(jiǎn)的過程，以類似于有意設(shè)計(jì)的中空結(jié)構(gòu)的方式改善性能。”

而使用高分辨率電子顯微鏡觀察小型測(cè)試電池中的納米顆粒，證實(shí)了這種中空行為，并且發(fā)現(xiàn)只有在直徑小于30納米左右的顆粒中才會(huì)出現(xiàn)。它的工作原理是通過彈性氧化層，使材料在離子流入陽極時(shí)膨脹，但在離子被移除時(shí)產(chǎn)生空隙，而不是導(dǎo)致典型的收縮行為。

“當(dāng)我們第一次觀察到獨(dú)特的中空行為時(shí)，這是非常令人興奮的，我們當(dāng)下就知道這可能對(duì)電池性能有重要的影響。”McDowell感嘆道。

雖然這些中空的納米顆粒是一個(gè)令人興奮的發(fā)現(xiàn)，但對(duì)于該團(tuán)隊(duì)來說，未來還有一些挑戰(zhàn)。因?yàn)殇R本身價(jià)格昂貴，所以目前還沒有用于生產(chǎn)電池電極。

然而，科學(xué)家們懷疑錫或者其他更便宜的材料也可能表現(xiàn)出同樣的空心結(jié)構(gòu)，并希望探索這些可能性，在更大的電池上進(jìn)行研究，以期努力實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。

“對(duì)其他材料進(jìn)行測(cè)試，看看它們是否會(huì)根據(jù)類似的空心機(jī)制進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這是非常有趣的。”McDowell指出，“這可以擴(kuò)大可用于電池的材料范圍。我們制造的小型測(cè)試電池顯示出有希望的充放電性能，因此我們希望在更大的電池材料中做評(píng)估。”