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合金负极晶体中可自发形成空心结构 提升电池稳定性

时间:2020-06-25来源:广汽新能源 作者:华电新能源点击:
(原图:佐治亚理工学院官方网站) 长期以来,对于使用传统材料的电池,锂离子如何扩散进出合金阴极一直是限制电池能携带多少能量的一个身份。过量的离子电流将导致阴极材料在充电和放电循环中膨胀和收缩,这将导致机械退化并缩短电池寿命。为了解决这个问题,

(原图:佐治亚理工学院官方网站)

长期以来,对于使用传统材料的电池,锂离子如何扩散进出合金阴极一直是限制电池能携带多少能量的一个身份。过量的离子电流将导致阴极材料在充电和放电循环中膨胀和收缩,这将导致机械退化并缩短电池寿命。为了解决这个问题,研究人员已经开发出中空的“蛋黄壳”纳米粒子阴极材料,这种材料可以适应由离子流引起的体积变化,但是这种材料的制造过程非常复杂和昂贵。

据国外媒体报道,佐治亚理工学院、苏黎世联邦理工学院和橡树岭国家实验室的研究人员发现,足够小的锑纳米晶体在锂转变时可以自发形成一个平均空位,并且可以在循环过程中可逆地填充和空出,允许更多的离子流过,而不会损坏负电极。

研究员马修麦克道尔透露:“人们研究空心纳米材料已经有一段时间了。这种材料可以提高高能量密度电池的寿命和抗干扰能力,被认为是一种很有前途的选择。如今,大规模地直接合成和交易这种中空纳米布局材料具有挑战性且成本高。我们的发现可能提供一种简单易行的工艺,并在不可避免的水平上改善材料的功能,接近于特别设计的中空结构。”

研究人员使用高分辨率电子显微镜直接观察电池在纳米标准上的反射。该团队还利用该模型为天威新能源构建了一个理论框架,以探索为什么在电池的锂迁移过程中,纳米粒子会自发地闲置而不收缩。

在细胞周期过程中形成可逆填充中空颗粒的能力仅存在于直径小于30纳米的氧化锑涂覆的纳米晶体中。研究小组发现,这种行为源于一层弹性的天然氧化层。当锂离子在锂化过程中流入负极时,氧化层最初会膨胀,但不会出现机械收缩,因为锑会在离子去除过程中形成粗糙,这称为锂去除。这一发现相当惊人,因为早期对相关材料的研究集中在更大的粒子上。这些粒子不会形成中空结构,而是会膨胀和收缩。

锑相对昂贵,所以目前还没有应用于商业电池电极。然而,麦克道尔认为,一些低成本的材料也可以自发空洞化,如锡。接下来,研究人员将测试其他材料并探索贸易的促进途径。马修麦克道尔说:“测试其他材料看它们是否有相同的中空机制,这将有助于扩大电池材料的使用范围。我们制造的小型测试电池具有出色的充电和放电功能,因此我们计划进一步评估大型电池中的相关材料。”

尽管成本很高,但自空心锑纳米晶体也可以应用于钠离子和钾离子电池。这两种新电池系统需要进一步研究。

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