硅负极纳米结构激发锂离子电池的新潜力

纳米颗粒与硅阳极的制备

在1号室中,由钽金属制成的纳米颗粒生长起来。在这个腔内,单个钽原子聚集在一起,类似于雨滴的形成。在2号室,纳米颗粒被大量过滤,去除过大或过小的颗粒。在3号室中,沉积了一层纳米颗粒。然后用孤立的硅原子“喷涂”这一层,形成硅层。这个过程可以重复来创建一个多层结构。来源:OIST科学计算与数据分析部门Pavel Puchenkov绘制的示意图

科学家揭示了一种新的纳米结构,可以彻底改变电池和超越技术的技术。

  • 新的研究已经确定了一种改善锂离子电池中的阳极的纳米结构
  • 研究人员代替使用阳极的石墨,而是转向硅:一种储存更多充电但容易破裂的材料
  • 该团队通过在金属纳米粒子顶部沉积硅原子来制造硅阳极
  • 所得到的纳米结构形成拱,增加了阳极的强度和结构完整性
  • 电化学测试表明,采用改进的硅阳极的锂离子电池具有更高的充电容量和更长的使用寿命

冲绳科学技术研究生大学(OIST)进行的一项新研究发现了一种改进锂离子电池阳极的特殊构造块。今天(2021年2月5日)在《科学》杂志上披露并解释了利用纳米颗粒技术构建的这种结构的独特性质通信材料

功能强大,便携和可充电,锂离子电池是现代技术的重要组成部分,在智能手机,笔记本电脑和电动车辆中发现。2019年,随着我们远离化石燃料的迁移,诺贝尔奖,他们彻底彻底地革命了我们将来彻底地拓展我们的储存和消费电力,随着我们远离化石燃料,与诺贝尔奖有关董事会成员,博士他的工作开发了锂离子电池。

传统上,石墨被用于锂离子电池的负极,但这种碳材料有很大的局限性。

“当电池充电时,锂离子被迫从电池的一边(阴极)通过电解质溶液移动到电池的另一边(阳极)。然后,当电池被使用时,锂离子回到阴极,电流从电池中释放出来,”OIST前研究员、该研究的第一作者Marta Haro博士解释说。“但在石墨阳极中,需要6个碳原子来存储一个锂离子,所以这些电池的能量密度很低。”

随着科学和工业界目前正在探索使用锂离子电池为电动汽车和航天飞机提供动力,提高能量密度至关重要。研究人员正在寻找新材料,可以增加储存在阳极中的锂离子的数量。

最有希望的候选材料之一是硅,它可以为每一个硅绑定四个锂离子原子

硅薄膜生长阶段与机械强度

在第一阶段,硅膜以刚性但不稳定的柱状结构存在。在第二阶段,柱子接触顶部,形成一个拱形结构,这是强大的拱形作用。在第三阶段,硅原子进一步沉积,形成海绵状结构。红色虚线表示硅在外力作用下的变形情况。来源:Panagiotis Grammatikopoulos博士绘制的示意图,OIST纳米颗粒由设计单位和粒子技术实验室提供,ETH Zürich

“硅阳极可以比石墨阳极在给定体积中存储十倍的电荷 - 在能量密度方面的整个数量级,”Haro博士说。“问题是,随着锂离子进入阳极,体积变化巨大,高达约400%,导致电极断裂和断裂。”

大的体积变化还阻止了电解质和阳极之间保护层的稳定形成。因此,每当电池充电时,该层必须不断改造,耗尽有限的锂离子供应,降低电池的寿命和可充电性。

“我们的目标是尝试创造一种能够抵抗这些压力的更强大的阳极,可以尽可能多地吸收锂,并确保在恶化之前尽可能多的电荷循环,”纸张的高级作者Grammatikopoulos博士说。“而我们采取的方法是使用纳米颗粒建立一个结构。”

在2017年发表的一篇论文中先进的科学,现在解散的OIST纳米粒子通过设计单元开发了一种类似蛋白质的层状结构,其中每层硅层夹在钽金属纳米粒子之间。这种改善了硅阳极的结构完整性,防止过膨胀。

在对不同厚度的硅层进行实验以了解其如何影响材料的弹性特性时,研究人员发现了一些奇怪的现象。

“在特定厚度的硅层上有一个点,结构的弹性性质完全改变了,”正在进行这项实验的OIST现任博士生西奥·布卢米斯(Theo Bouloumis)说。“材料逐渐变硬,但随着硅层厚度的进一步增加,刚度迅速降低。我们有一些想法,但当时我们不知道发生这种变化的根本原因。”

现在,这篇新论文最终为突然尖峰处于一个临界厚度的刚度突然尖峰提供了解释。

通过显微镜技术和在原子水平上的计算机模拟,研究人员表明,当硅原子沉积在纳米颗粒层上时,它们不会形成一个均匀的薄膜。相反,它们形成了倒锥状的柱状结构,随着更多硅原子的沉积,柱状结构变得越来越宽。最终,各个硅柱相互接触,形成一个拱形结构。

“拱形结构很强劲,就像土木工程中的拱门一样强烈,”格拉米洛克斯博士说。“同样的概念适用于纳米级。”

重要的是,结构强度的增加也与电池性能的提高相一致。当科学家进行电化学测试时,他们发现锂离子电池的充电容量有所增加。保护层也更稳定,这意味着电池可以承受更多的充电周期。

这些改进仅在列触摸的精确时刻看到。在这一刻发生之前,各个柱摇摆不大,因此不能为阳极提供结构完整性。并且如果柱触摸后硅沉积继续,它会产生多孔膜,其中具有许多空隙,导致弱,海绵状行为。

这种拱形结构及其独特性能的揭示不仅是锂离子电池硅阳极商业化的重要一步,而且在材料科学领域也有许多其他潜在的应用。

“当需要诸如生物植入物或用于储存氢气的各种应力而能够承受各种应力时,可以使用拱形结构。”格莱克波尔多斯博士说。“您需要的确切类型 - 更强大或更柔软,更灵活或更柔韧 - 可以精确地制作,只需改变图层的厚度。这是纳米结构的美丽。“

参考文献:“纳米穹窿体系结构在锂离子电池中减轻硅基阳极的压力”,Pawan Kumar,Junlei Zhao,Panagiotis Koutsogiannis,Alexander James Porrovich,Zakaria Ziadi,Theodoros Bouloumis,Vidyadhar Singh,Emilio J.Juarez-Perez,Evropi Toulkeridou,Kai Nordlund,Flyura Djurabekova,Mukhles Sowwan和Panagiotis Grammatikopoulos 2021年2月5日,通信材料
DOI:10.1038 / S43246-021-00119-0

是第一个评论“硅阳极纳米结构产生锂离子电池的新电位”

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