據(jù)外媒報道，一個國際科學(xué)家團隊發(fā)現(xiàn)了一種材料，可以使鋰離子電池在不犧牲電池壽命的情況下，擁有更多的能量。該團隊發(fā)現(xiàn)銻晶體在充放電循環(huán)過程中會自發(fā)地、可逆地中空，這一備受期待的特性可以在不影響安全的前提下促進(jìn)更大的能量密度。
鋰離子電池通過在兩個電極（負(fù)電的陰極和正電的陽極）之間來回傳輸離子來產(chǎn)生電力。但在目前的狀態(tài)下，它們已經(jīng)到了極限。增加鋰離子流動的努力因陽極材料的老化而受阻，陽極材料在充電和放電過程中會膨脹和收縮，導(dǎo)致更大的壓力，從而降低電池的壽命。
科學(xué)家們在“yolk-shel ”顆粒中看到了一個解決方案，由于中空的空隙可以適應(yīng)電池充放電時的體積變化，同時提供穩(wěn)定的外表面，從而提高循環(huán)能力。長期以來，將金屬合金陽極材料換成這些顆粒一直被視為一種有前景的途徑，但事實證明，以具有成本效益的方式制造它們是有問題的。
“有意地對中空納米材料進(jìn)行工程化已經(jīng)有一段時間了，這是一種很有前途的方法，可以提高高能量密度電池的壽命和穩(wěn)定性，”來自佐治亞理工學(xué)院的研究作者M(jìn)atthew McDowell說。“問題一直是，以商業(yè)應(yīng)用所需的大尺度直接合成這些中空納米結(jié)構(gòu)是具有挑戰(zhàn)性的，而且成本很高。我們的發(fā)現(xiàn)可以提供一種更簡單、精簡的過程，以類似于有意設(shè)計的中空結(jié)構(gòu)的方式改善性能?！?
來自佐治亞理工學(xué)院、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和橡樹嶺國家實驗室的McDowell和他的同事們的發(fā)現(xiàn)是從直徑是人類頭發(fā)直徑的千分之一的微小顆粒開始的。研究小組發(fā)現(xiàn)，這些氧化涂層銻納米晶體會在電池循環(huán)過程中自發(fā)地中空，而不是像預(yù)期的那樣膨脹和收縮。
使用高分辨率電子顯微鏡觀察小型測試電池中的納米顆粒，證實了這種中空行為，并且發(fā)現(xiàn)只有在直徑小于30納米左右的顆粒中才會出現(xiàn)。它的工作原理是通過彈性氧化層，使材料在離子流入陽極時膨脹，但在離子被移除時產(chǎn)生空隙，而不是導(dǎo)致典型的收縮行為。
“當(dāng)我們第一次觀察到獨特的中空行為時，這是非常令人興奮的，我們立即知道這可能對電池性能有重要的影響，”McDowell說。
雖然這些中空的納米顆粒是一個令人興奮的發(fā)現(xiàn)，但對于該團隊來說，未來還有一些挑戰(zhàn)。銻本身價格昂貴，因此目前還沒有用于生產(chǎn)電池電極。然而，科學(xué)家們懷疑錫等其他更便宜的材料也可能表現(xiàn)出同樣的空心行為。他們現(xiàn)在希望探索這些可能性，并在更大的電池上進(jìn)行研究，以期努力實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。
“對其他材料進(jìn)行測試，看看它們是否會根據(jù)類似的空心機制進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這將是非常有趣的，”McDowell說?！斑@可以擴大可用于電池的材料范圍。我們制造的小型測試電池顯示出有希望的充放電性能，因此我們希望在更大的電池中評估這些材料?！?
該研究發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》雜志上。
