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海藻使鋰電池容量提升10倍
來源: 《麻省理工科技創(chuàng)業(yè)》 日期:2012-2-10 作者:全球電池網(wǎng) 點(diǎn)擊:

如果用硅陽極取代石墨陽極,鋰離子電池每個(gè)單元就可存儲(chǔ)高達(dá)10倍的能量。但是,制造商不使用硅,因?yàn)殡S著電池的充放電,這樣的陽極會(huì)迅速退化。

喬治亞技術(shù)學(xué)院(Georgia Institute of Technology)和克萊姆森大學(xué)(Clemson University)的研究人員認(rèn)為,他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種成分,可以使硅陽極管用,這種成分是一種常見的結(jié)合劑和食品添加劑,來源于藻類,被用于許多家用產(chǎn)品中。他們說,這種材料不僅可以使鋰離子電池更有效,而且制備也更清潔,更便宜。

鋰離子電池儲(chǔ)存能量,需要在陽極積累離子;在使用過程中,這些離子會(huì)遷移,穿過電解質(zhì),到達(dá)陰極。這種陽極的制備,通常需要混合電活性石墨粉末與一種聚合物粘結(jié)劑,這種粘結(jié)劑通常是聚偏二氟乙烯(PVDF:polyvinylidene fluoride),溶解在稱為甲基吡咯烷酮(NMP)的溶劑中。這樣產(chǎn)生的懸浮液要撒到金屬箔片上,再晾干,這種箔片用于收集電流。

如果硅粒子被用作這種電活性粉末的基礎(chǔ),那么,這種電池陽極就可以容納更多的離子。但是,電池充電時(shí),硅粒子就會(huì)膨脹,體積增加到原始尺寸的四倍。這種膨脹會(huì)導(dǎo)致聚偏二氟乙烯粘結(jié)劑開裂,破壞陽極。在今天《科學(xué)》發(fā)表的研究中,喬治亞理工學(xué)院和克萊姆森大學(xué)的科學(xué)家表明,用藻朊酸鹽(alginate)代替聚偏氟乙烯,陽極可以膨脹,粘結(jié)劑也不會(huì)開裂。這使研究人員能夠制成穩(wěn)定的硅陽極,到目前為止,已證實(shí)硅陽極容量8倍于最好的石墨陽極。

聚合物藻朊酸鹽來自褐藻,包括形成巨型海帶森林的那種類型。它已被廣泛用作膠凝劑(gelling agent)和食品添加劑。最初,研究人員是想采用幾種不同材料的組合,來取代聚偏氟乙烯。后來,在理論上,他們認(rèn)識(shí)到,一種聚合物只要有適當(dāng)?shù)木鶆蚪Y(jié)構(gòu),就可以做到這種粘結(jié)劑應(yīng)做的一切,包括提供良好的支撐結(jié)構(gòu),同時(shí)又不與電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

格列勃?余新(Gleb Yushin)是佐治亞理工學(xué)院儲(chǔ)能納米材料中心的研究人員和主任,他說,研究小組認(rèn)識(shí)到,有一些合成聚合物是由植物纖維素派生的,它們具有的結(jié)構(gòu),接近所需要的,但不夠均勻。因此,研究小組開始尋找水生植物。余新說:“我們認(rèn)為,有可能已經(jīng)存在一種聚合物(我們可以使用),因?yàn)檫@些水生植物,尤其是在海水中,都是浸泡在電解液中,”這樣,也就會(huì)發(fā)生進(jìn)化演變,以避免不必要的反應(yīng)。他們無意中發(fā)現(xiàn)了藻朊酸鹽,它的提取需要用蘇打水煮沸海帶,它具有所需的均勻結(jié)構(gòu)。

對(duì)比聚偏氟乙烯,藻朊酸鹽的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是,在制造陽極時(shí),藻朊酸鹽可溶解在水中,這就不需要用甲基吡咯烷酮,有可能形成一種更清潔的生產(chǎn)工藝。研究人員認(rèn)為,粘結(jié)劑可以集成到現(xiàn)有的陽極制造系統(tǒng),只需把聚偏氟乙烯和甲基吡咯烷酮必需品替換為藻朊酸鹽和水。藻朊酸鹽也可以用來改善石墨陽極的性能,帶來更多的充電和放電循環(huán),延長(zhǎng)電池使用壽命。

硅陽極的潛力不可能被充分發(fā)揮,直到研究人員開發(fā)出可匹配的陰極為止,這種陰極能夠處理相同數(shù)量的鋰離子。不過,即使用現(xiàn)有的陰極,褐藻膠-硅陽極也可使鋰離子電池容量增加30%至40%,這是余新所說。

 

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