石墨烯笼包裹的硅可能有助于改善锂离子电池的性能

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电子显微镜的延时图像显示,随着锂离子在电池充电过程中涌入,硅微粒(红色)在其石墨烯笼(黑色)中膨胀和破裂
电子显微镜的延时图像显示,随着锂离子在电池充电过程中涌入,硅微粒(红色)在其石墨烯笼(黑色)中膨胀和破裂

斯坦福大学的一个团队声称在电池方面取得了突破,可以提高锂离子电池的性能,并使它们更小,更轻。通过将硅颗粒放入石墨烯的“笼子”中,研究人员设法消除了两个长期存在的障碍,以实现这些改进。

为了提高容量,近年来,电池已经开始使用硅阳极,其比常规使用的石墨具有更大的容量。但是硅颗粒在充电过程中也会膨胀得非常多,以至于它们容易破裂或破碎,它们还会与电池电解质发生反应,形成降低性能的涂层。

斯坦福大学研究小组和能源部的SLAC国家加速器实验室的解决方案是将每个硅颗粒包裹在石墨烯的“定制笼”中。石墨烯只有一个原子厚,是最薄,最强的碳形式,并且导电性也很好。

碳笼将允许硅膨胀,甚至破裂,但将各块保持在一起,以便它们可以继续运行。石墨烯阻挡层还将阻止与电解质发生破坏性化学反应。

负责这项研究的SLAC和斯坦福大学副教授Yi Cui表示:“在测试中,石墨烯笼实际上增强了颗粒的导电性,并提供了高电荷容量,化学稳定性和效率。” “该方法也可以应用于其他电极材料,从而使高密度,低成本的电池材料成为现实。”

石墨烯笼(下半部分)如何改善硅颗粒的性能

石墨烯笼(下半部分)如何改善硅颗粒的性能

Cui的团队首先尝试了使用昂贵的纳米颗粒和不同涂层的类似方法,但未能达到足够高的效率水平。

崔说:“这种新方法使我们能够使用直径为1至3微米或百万分之一米的大得多的硅颗粒,这些硅颗粒便宜且可广泛获得。” “实际上,我们使用的颗粒与铣削硅锭制造半导体芯片所产生的废物非常相似;它们就像各种形状和大小的木屑碎片。如此大的颗粒以前从未在电池阳极中表现良好,因此这是一个非常令人兴奋的新成就,我们认为它提供了一种切实可行的解决方案。”

在每个硅颗粒上获得适合形状的石墨烯涂层是一个过程。首先在颗粒上涂镍,然后在金属上生长石墨烯层。然后用酸溶解镍,在笼内留出足够的空隙以使硅膨胀。

斯坦福大学博士后研究员Kai Yan说:“形状适合的石墨烯笼是保持高效率的第一个涂层,并且反应可以在相对较低的温度下进行。”

接下来,该团队将完善该过程,以生产足够数量的笼状颗粒,以制造商业规模的原型电池。


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