锂离子阳极使用自组装纳米复合材料来增加容量

2019-04-15 16:22:02
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基于硅 - 碳纳米复合材料的新型高性能阳极结构可以显着提高用于混合动力汽车和便携式电子产品等广泛应用的锂离子电池的性能。

采用“自下而上”的自组装技术生产,新结构利用纳米技术微调其材料特性,解决早期硅基电池阳极的缺点。简单,低成本的制造技术旨在轻松扩展并与现有电池制造兼容。

新自组装方法的详细信息于3月14日在线发表在“ 自然材料 ”杂志上。

“开发一种生产具有受控性能的分级阳极或阴极颗粒的新方法为锂离子电池技术的许多新方向打开了大门,”佐治亚研究所材料科学与工程学院助理教授Gleb Yushin说。技术。“这是迈向锂离子电池硅基阳极材料商业化生产的重要一步。”

流行的轻质电池通过液体电解质在两个电极(阴极和阳极)之间转移锂离子。在充电和放电循环期间锂离子越有效地进入两个电极,电池的容量就越大。

现有的锂离子电池依赖于由石墨(一种碳)制成的阳极。硅基阳极理论上可提供比石墨高十倍的容量改进,但硅基阳极迄今为止还不够稳定,不能用于实际应用。

石墨阳极使用尺寸范围为15至20微米的颗粒。如果这种尺寸的硅颗粒简单地取代石墨,当锂离子进入和离开硅时膨胀和收缩会产生裂缝,从而迅速导致阳极失效。

新的纳米复合材料解决了这种降解问题,可能使电池设计人员利用硅的容量优势。这可以促进给定电池尺寸的更高功率输出 - 或者允许更小的电池产生所需的电量。

“在纳米尺度上,我们可以比传统的尺寸尺度更精确地调整材料特性,”Yushin说。“这是纳米级制造技术可以提供更好材料的一个例子。”

小型纽扣电池中新型复合阳极的电气测量结果表明,它们的容量比石墨的理论容量大五倍以上。

复合阳极的制造始于形成高导电分支结构 - 类似于树枝 - 由在高温管式炉中退火的炭黑纳米颗粒制成。然后使用化学气相沉积工艺在碳结构内形成直径小于30纳米的硅纳米球。硅碳复合结构类似于“挂在树上的苹果”。

使用石墨碳作为导电粘合剂,然后将硅 - 碳复合材料自组装成具有开放的,相互连接的内部孔道的刚性球体。形成尺寸为10至30微米的球体用于形成电池阳极。相对较大的复合粉末尺寸 - 比单个硅纳米颗粒大一千倍 - 可以容易地进行阳极制造的粉末加工。

硅碳球中的内部通道有两个目的。它们允许液体电解质允许锂离子快速进入以快速充电,并且它们提供空间以适应硅的膨胀和收缩而不破坏阳极。内部通道和纳米级颗粒还提供进入阳极的短锂扩散路径,从而提高电池功率特性。

硅颗粒的尺寸由化学气相沉积过程的持续时间和施加到沉积系统的压力控制。碳纳米结构分支的尺寸和硅球的尺寸决定了复合材料中的孔径。

Yushin表示,硅 - 碳复合材料的生产可以按照连续工艺进行扩大,适用于超大容量粉末生产。他补充说,由于最终的复合球体在制成阳极时相对较大,因此自组装技术避免了处理纳米级粉末的潜在健康风险。

一旦制造出来,纳米复合阳极将像传统的石墨结构一样用于电池中。这将使电池制造商采用新的阳极材料,而不会在生产过程中发生显着变化。

到目前为止,研究人员已经通过一百多次充放电循环测试了新阳极。Yushin相信这种材料可以保持稳定数千个周期,因为没有明显的降解机制。

“如果这项技术能够在容量基础上提供更低的成本,或者与现有技术相比重量更轻,这将有助于推进锂电池市场,”他说。“如果我们能够生产持续时间较长的较便宜的电池,这也可以促进采用许多'绿色'技术,例如电动汽车或太阳能电池。”

除了Yushin之外,论文的作者还包括来自乔治亚理工学院的Alexandre Magasinki,Patrick Dixon和Benjamin Hertzberg,以及来自威斯康星大学麦迪逊分校材料科学中心和材料科学系的Alexander Kvit以及来自Superior的Jorge Ayala。石墨。该文件还承认了Alexander Alexeev在佐治亚理工学院和克莱姆森大学的Igor Luzinov的贡献。

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