科學家用“硅”做電池負極 電動車續航增長10倍

滑鐵盧大學的研究人員和通用汽車全球研發中心合作，研究了電池硅負極的熱處理技術，解決充放電時硅負極體積收縮膨脹率過大的問題。

滑鐵盧大學的研究人員研究出了新一代電池技術，可以生產出穩定的小體積，長續航電池，除了方便小型可穿戴設備安裝，也能用于電動汽車。陳忠偉(音)是一名滑鐵盧大學的化學工程師教授，也是整個項目的負責人，他帶領的一組研究生團隊所做的研究，據說可以大大提升電池的性能表現和使用壽命，遠超市面上的鋰離子電池。這一研究成果已經被刊登在《自然通訊》雜志上。

陳忠偉(左二)和團隊成員

研究人員如何做到減小電池體積的情況下，還能保證長續航?答案是，他們使用了硅作為電池的負極材料并解決了材料弊端。

眾所周知，石墨已經被長期使用在鋰離子電池中作為負極材料。但是隨著電池技術的提升，材料本身已經漸漸變成了電池性能發展的瓶頸，因為石墨儲能量已經到達上限，研究機構開始轉向新負極材料的搜尋，其中一個嘗試就是采用硅作為電池負極。

在理論上，硅材料的比容量要遠大于石墨材料。比容量數值的高低直接體現了單位重量電池所能放出的電量。目前商業化鋰離子電池廣泛使用的負極活性材料為石墨，比容量約為360mAh/g。滑鐵盧大學選擇使用的硅材料理論比容量達到了4200mAh/g，是石墨的10倍以上。陳忠偉表示，這意味著一輛電動車的單次充電續航可達500公里，并且比現在的電動車電池更小更輕，可以為車身減重。

但是將硅作為電池負極材料的嘗試并不在少數，至今未能廣泛應用的原因在于一些技術難關。我們知道，電池負極材料和電池的安全性也有很大的關聯，而硅負極材料的短板在于——安全性較差，充放電的體積變化極大。每一次充放，硅材料體積收縮膨脹率高達300%。每一次體積的增大和減小都會形成裂紋，降低電池的表現性能，造成短路，并且最終導致電池停止工作。

滑鐵盧大學研究人員在使用硅材料研發電池的過程中要集中解決的也是這個問題。陳教授的的團隊和通用汽車全球研發中心合作研發了硅材料電極的熱處理技術，可以把充電過程中的體積膨脹減小到最低，從而提高電池的表現和鋰離子電池循環充放電的過程。這種熱處理技術創造了獨特結構的硅負極，隨著電池能量容量的提升，可以把充放電循環增加到2000次。

硅負極電池是陳教授的一個研究課題，他表示這項電池技術具備了商業量產的可能，研究團隊希望在明年之前看到新電池進入市場。他帶領的團隊研究的主要項目包括用獨特的納米材料研發新一代清潔、可持續能源技術。此外他們還關注包括金屬空氣電池、鋰硫電池和各種類型的液流電池。