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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

(图片来源:Georgia Tech官网)

长期以来,对于使用传统材料的电池来说,锂离子如何扩散进出合金负极,一直是限制电池能承载多少能量的一个因素。过多的离子流会导致负极材料膨胀,并在充放电循环中收缩,引起机械退化,缩短电池寿命。为了解决这个问题,研究人员曾经开发出空心的“蛋黄壳”纳米颗粒负极材料,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且昂贵。

据外媒报道,最近,佐治亚理工学院(Georgia Tech),以及苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)和橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的研究人员发现,足够小的锑纳米晶体,在锂迁移时可以自发形成均匀的空隙,并在循环过程中可逆化填充和空出,允许更多的离子流过,而且不损害负极。

研究人员Matthew McDowell表示:“人们对空心纳米材料进行研究已经有一段时间了。这种材料可以提升高能量密度电池的寿命和稳定性,被视为一种很有前途的选项。目前的问题是,直接大规模合成这种中空纳米结构材料并进行商业化,具有挑战性,而且成本较高。我们的发现可以提供更加简单易行的过程,并在一定程度上提高材料性能,接近专门设计的空心结构。”

研究人员使用高分辨率电子显微镜,直接观察电池在纳米尺度上的反应。该团队还利用模型建立了一个理论框架,探讨在电池的锂迁移过程中,纳米颗粒为什么会自发地形成空隙,而不产生收缩。

在电池循环过程中形成可逆化填充空心粒子的能力,只出现在直径小于30纳米的镀氧化物锑纳米晶体中。研究团队发现,这种行为源于一种具有弹性的天然氧化层。在锂离子流入负极的锂化过程时,该氧化层会发生初始膨胀,但是不会出现机械性收缩,因为在离子移出过程中,锑会形成空洞,这一过程被称为脱锂。这一发现颇令人惊奇,因为早期的相关材料研究集中于较大的粒子。这些粒子会发生膨胀和收缩,而不是形成中空结构。

由于锑相对昂贵,目前还未应用于商用电池电极。但是,McDowell相信,一些成本较低的材料,也可以发生自发的空心化现象,比如锡。接下来,研究人员将对其它材料进行测试,并探寻商业化推广路径。Matthew McDowell称:“测试其他材料,看看它们是否会发生类似的中空机制,有助于扩大可用于电池的材料范围。我们制作的小型测试电池具有良好的充放电性能,所以,我们打算在更大的电池中进一步评估相关材料。”

虽然成本较高,但是自中空锑纳米晶体(self-hollowing antimony nanocrystals)还可以应用于钠离子和钾离子电池。这两种新兴电池体系有待进一步研究。

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  • 编辑:郭瑪莉
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