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硅海綿可替代鋰離子電池中的石墨組件
2012-07-25
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日報道，美國科學(xué)家找到一種方法用硅海綿替代石墨作為可充電內(nèi)的元件，借此可研制出持續(xù)時間更長且性能更強(qiáng)的電池，用于商用電子設(shè)備和電動汽車上。研究發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會本月出版的《材料化學(xué)》雜志上。
這項研究由萊斯大學(xué)和洛克希德—馬丁公司攜手進(jìn)行，研究的領(lǐng)導(dǎo)者、萊斯大學(xué)化學(xué)和生物分子工程學(xué)教授斯巴尼·利薩-比斯沃爾和該大學(xué)科學(xué)家曼都瑞·薩克爾撰文指出，借用他們研發(fā)的這一過程，能將比自身重4倍的物體存儲在鋰中。
硅是地球上最常見的元素之一，能替代石墨作為電池內(nèi)的陽極。此前該團(tuán)隊就發(fā)現(xiàn)，多孔硅吸收鋰的能力是石墨的10倍多。這是因?yàn)楣栉珍囯x子后會延展，像海綿一樣的構(gòu)造賦予了硅在電池內(nèi)部生長的余地，同時也不會對電池的性能造成損害。2010年，該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)當(dāng)硅海棉擁有1微米寬、12微米深的小孔時，能在電池領(lǐng)域大展拳腳，但當(dāng)時的固體硅基座無法吸收鋰，仍然有待改進(jìn)。
在最新研究中科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，用來制造這些小孔的電化學(xué)蝕刻過程能將海綿同基座分開，基座接著可以被重新使用，制造出更多海綿。研究人員稱，從一個標(biāo)準(zhǔn)的250微米厚的硅晶圓上，至少可以提取到4塊這樣的海綿。而其一旦被從硅晶圓上提取出來，上、下都是打開著的，通過將其浸入一個導(dǎo)電的聚合物黏結(jié)劑聚丙烯腈(PAN)內(nèi)，就可大大增強(qiáng)其導(dǎo)電性。
科學(xué)家由此得到了一塊堅硬的薄膜，其能被依附到一個集電器上并放置于電池結(jié)構(gòu)內(nèi)，并最終借用這一過程制造出了一款鋰離子電池，其放電能力高達(dá)每克1260毫安時，這使其使用壽命更長。
研究人員在比較中發(fā)現(xiàn)，使用薄膜之前，電池的初始放電容量是每克757毫安時，但第二次充放電循環(huán)之后，放電容量就開始迅速下降，并在經(jīng)過15次循環(huán)后完全消失殆盡;而經(jīng)過處理的薄膜在4次循環(huán)后就即開始增加放電容量，多孔硅表現(xiàn)得特別明顯，經(jīng)過20次循環(huán)后，電池的放電容量仍然完好無損。
目前，科學(xué)家正在研究有望能大大增加充放電循環(huán)次數(shù)的技術(shù)，以便能研發(fā)出可持續(xù)使用幾年的電池。
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