電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
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鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
據外媒報道，一個國際科學家團隊發現了一種材料，可以使鋰電池在不犧牲電池壽命的情況下，擁有更多的能量。該團隊發現銻晶體在充放電循環過程中會自發地、可逆地中空，這一備受期望的特性可以在不影響安全的前提下促使更大的能量密度。
鋰電池通過在兩個電極（負電的陰極和正電的陽極）之間來回傳輸離子來出現電力。但在目前的狀態下，它們已經到了極限。新增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，導致更大的壓力，從而降低電池的壽命。
科學家們在“yolk-shel”顆粒中看到了一個處理辦法，由于中空的空隙可以適應電池充放電時的體積變化，同時供應穩定的外表面，從而提高循環能力。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行工程化已經有一段時間了，這是一種很有前途的辦法，可以提高高能量密度電池的壽命和穩定性，”來自佐治亞理工學院的研究作者MatthewMcDowell說。“問題一直是，以商業使用所需的大尺度筆直合成這些中空納米結構是具有挑戰性的，而且成本很高。我們的發現可以供應一種更簡單、精簡的過程，以類似于有意設計的中空結構的方式改善性能。”
來自佐治亞理工學院、蘇黎世聯邦理工學院和橡樹嶺國家試驗室的McDowell和他的同事們的發現是從直徑是人類頭發直徑的千分之一的微小顆粒開始的。研究小組發現，這些氧化涂層銻納米晶體會在電池循環過程中自發地中空，而不是像預期的那樣膨脹和收縮。
使用高辨別率電子顯微鏡觀察小型探測電池中的納米顆粒，證實了這種中空行為，并且發現惟有在直徑小于30納米左右的顆粒中才會出現。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，但在離子被移除時出現空隙，而不是導致典型的收縮行為。
“當我們第一次觀察到神奇的中空行為時，這是非常令人興奮的，我們立即知道這可能對電池性能有緊要的影響，”McDowell說。
雖然這些中空的納米顆粒是一個令人興奮的發現，但關于該團隊來說，將來還有一些挑戰。銻本身價格昂貴，因此目前還沒有用于加工電池電極。然而，科學家們懷疑錫等其他更便宜的材料也可能表現出同樣的空心行為。他們今朝希望探索這些可能性，并在更大的電池上進行研究，以期努力實現商業使用。
“對其他材料進行探測，看看它們是不是會依據類似的空心機制進行轉化，這將是非常有趣的，”McDowell說。“這可以張大可用于電池的材料范圍。我們制造的小型探測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。”
該研究發表在《自然-納米技術》雜志上。
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