科學(xué)家在負(fù)極涂了一層殼，將電動(dòng)汽車鋰電池的容量穩(wěn)定提升10倍
很多人對電動(dòng)汽車的要求總是特別的高，比如續(xù)航里程在極端天氣下能穩(wěn)定達(dá)到1000公里，充電速度比燃油車加油快，電池循環(huán)壽命可以達(dá)到萬次不衰減，或者可以穩(wěn)定使用20年。大概是因?yàn)椋妱?dòng)汽車是科技產(chǎn)物，人們相信科技無所不能吧。或許有一天，以上都能實(shí)現(xiàn)。但是科學(xué)研究是艱辛的，反復(fù)的，從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)的過程可能很漫長，也可能很快，總之，值得期待。以電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池為例，目前比較成熟并且常用的電池為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，在下一代性能更高的電池如鋰空氣電池、鋰硫電池、固態(tài)鋰電池被開發(fā)出來商用前，學(xué)術(shù)界依然在繼續(xù)努力將這兩種鋰離子電池的性能提高到一個(gè)新的水平。科學(xué)家試圖用一種更經(jīng)濟(jì)更快的方式來改良電池材料，如在不改變電解質(zhì)和正極材料的情況下，使用容量更高的負(fù)極材料來提高電池的性能。比較受歡迎的是使用硅來代替石墨用作電池的負(fù)極。硅在地殼中，是第二豐富的元素，僅次于氧，材料來源豐富往往意味著比較廉價(jià)。硅被科學(xué)家選作鋰離子電池的負(fù)極材料試圖代替石墨，是因?yàn)樗拇鎯?chǔ)容量比石墨高了10倍。石墨的最大理論容量為372 mAh/g，而硅達(dá)到了3590 mAh/g。因此，硅有望取代石墨成為更高能量密度鋰離子電池的主要負(fù)極。然而，鋰化后的硅有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，充電時(shí)會(huì)膨脹三倍以上并變得不穩(wěn)定，穩(wěn)定性問題減緩了它的商業(yè)化進(jìn)程。鑒于硅陽極可以實(shí)現(xiàn)潛在的電池性能增強(qiáng)，研究人員一直在尋找克服膨脹和不穩(wěn)定性問題的方法。加拿大滑鐵盧大學(xué)的邁克爾·波普教授的科研團(tuán)隊(duì)，正在研究一種涉及石墨烯涂層硅陽極的解決方案。石墨烯是已知強(qiáng)度最高的材料之一，同時(shí)還具有很好的韌性，且可以彎曲。他們開發(fā)了一種由聚（環(huán)氧乙烷）-羧甲基纖維素水凝膠和由皺縮石墨烯殼保護(hù)的涂層應(yīng)用于高容量硅負(fù)極材料的方法，這種方法讓人想起帶有硬殼的糖果，硬殼防止糖果高溫融化。這種保護(hù)涂層的目的是在防止硅負(fù)極在充電時(shí)發(fā)生膨脹。方法很簡單，通過噴霧的形式將硅負(fù)極封裝在一個(gè)保護(hù)性的、皺巴巴的石墨烯殼中，從而形成高容量、高循環(huán)壽命的鋰離子電池負(fù)極。在初步測試中，石墨烯包裹的硅陽極與半電池（一種用于實(shí)驗(yàn)室測試的電池電極配置）配對后，在 200次充放電循環(huán)后仍保持 79% 的容量。實(shí)驗(yàn)室半電池可能不足以有說服力，他們將商用的磷酸鐵鋰電池的負(fù)極換成了這種改良的硅負(fù)極后組裝成完整的電池。再次進(jìn)行測試時(shí)，這個(gè)改良的新電池在100次循環(huán)后還保持了93.3%的容量，說明比較穩(wěn)定。前面說到硅的存儲(chǔ)容量比石墨的高了十倍，只要將它充電時(shí)的穩(wěn)定性解決，就有望代替石墨實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)，電池性能將極大提升。納米材料研發(fā)公司Zentek 的首席執(zhí)行官格雷格芬頓對此研究結(jié)果評論道：“研究人員不僅能夠在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的半電池中展示出良好的性能，而且還通過商用磷酸鐵鋰正極驗(yàn)證了該性能，這表明它們可以成為增強(qiáng)現(xiàn)有電池技術(shù)的直接解決方案。”雖然這種石墨烯涂層硅負(fù)極技術(shù)在商業(yè)化之前需要進(jìn)一步的開發(fā)和優(yōu)化工作，但 Zentek 公司打算和滑鐵盧大學(xué)的這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)合作，計(jì)劃繼續(xù)研究這種有前途的鋰離子電池技術(shù)。上個(gè)月，他們將研究結(jié)果發(fā)表在了學(xué)術(shù)期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，同時(shí)為這種新開發(fā)的負(fù)極材料申請了專利，下一步是將這項(xiàng)技術(shù)推向市場。
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