據(jù)外媒報(bào)道，一個(gè)國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)銻晶體在充放電循環(huán)過(guò)程中會(huì)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(guò)在兩個(gè)電極（負(fù)電的陰極和正電的陽(yáng)極）之間來(lái)回傳輸離子來(lái)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(dòng)的努力因陽(yáng)極材料的老化而受阻，陽(yáng)極材料在充電和放電過(guò)程中會(huì)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?cè)凇皔olk-shel ”顆粒中看到了一個(gè)解決方案，由于中空的空隙可以適應(yīng)電池充放電時(shí)的體積變化，同時(shí)提供穩(wěn)定的外表面，從而提高循環(huán)能力。長(zhǎng)期以來(lái)，將金屬合金陽(yáng)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(shí)證明，以具有成本效益的方式制造它們是有問(wèn)題的。
“有意地對(duì)中空納米材料進(jìn)行工程化已經(jīng)有一段時(shí)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(lái)自佐治亞理工學(xué)院的研究作者M(jìn)atthew McDowell說(shuō)?！皢?wèn)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(jiǎn)單、精簡(jiǎn)的過(guò)程，以類(lèi)似于有意設(shè)計(jì)的中空結(jié)構(gòu)的方式改善性能?！?
來(lái)自佐治亞理工學(xué)院、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的McDowell和他的同事們的發(fā)現(xiàn)是從直徑是人類(lèi)頭發(fā)直徑的千分之一的微小顆粒開(kāi)始的。研究小組發(fā)現(xiàn)，這些氧化涂層銻納米晶體會(huì)在電池循環(huán)過(guò)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(cè)試電池中的納米顆粒，證實(shí)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(huì)出現(xiàn)。它的工作原理是通過(guò)彈性氧化層，使材料在離子流入陽(yáng)極時(shí)膨脹，但在離子被移除時(shí)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(dú)特的中空行為時(shí)，這是非常令人興奮的，我們立即知道這可能對(duì)電池性能有重要的影響，”McDowell說(shuō)。
雖然這些中空的納米顆粒是一個(gè)令人興奮的發(fā)現(xiàn)，但對(duì)于該團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，未來(lái)還有一些挑戰(zhàn)。銻本身價(jià)格昂貴，因此目前還沒(méi)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(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。
“對(duì)其他材料進(jìn)行測(cè)試，看看它們是否會(huì)根據(jù)類(lèi)似的空心機(jī)制進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這將是非常有趣的，”McDowell說(shuō)?！斑@可以擴(kuò)大可用于電池的材料范圍。我們制造的小型測(cè)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(píng)估這些材料?！?
該研究發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》雜志上。
