使用自組裝納米復(fù)合材料的鋰離子陽極可提高電池能力

使用自組裝納米復(fù)合材料的鋰離子陽極可提高電池能力。美國(guó)媒體于2010年3月16日公布，基于硅-碳納米復(fù)合材料的高性能陽極材料可望大大提高應(yīng)用于寬范圍領(lǐng)域（從混合動(dòng)力汽車到便攜式電器）使用的鋰離子電池的性能。

采用“從底部向上”的自組裝技術(shù)生產(chǎn)的新結(jié)構(gòu)利用了納米技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，克服了以前硅基電池陽極的缺陷。這一簡(jiǎn)單、低成本的組裝技術(shù)設(shè)計(jì)可使放大較容易，可與現(xiàn)有電池制造相媲美。

新的自組裝技術(shù)已發(fā)布在3月14日《自然材料雜志（journal Nature Materials）》上。

新途徑的開發(fā)為生產(chǎn)具有可控性質(zhì)、分等級(jí)的陽極或陰極顆粒材料打開了大門，為鋰離子電池技術(shù)提供了新的材料，這向商業(yè)化生產(chǎn)鋰離子電池硅基陽極材料邁出了重要一步。

現(xiàn)有的鋰離子電池依賴于碳形式的石墨來制取陽極，硅基陽極在理論上其能力要比石墨高出10倍，但硅基陽極在實(shí)際應(yīng)用中不夠穩(wěn)定。

石墨陽極使用的顆粒尺寸為15~20微米，如果該尺寸的硅顆粒只簡(jiǎn)單地替代石墨，則隨著鋰離子的進(jìn)出，而產(chǎn)生的擴(kuò)張和收縮，硅會(huì)產(chǎn)生破裂而快速引起陽極損壞。

新的納米復(fù)合材料解決了這一降解問題，有潛力可使電池設(shè)計(jì)具有使用硅的能力優(yōu)勢(shì)。這有助于提高給定電池尺寸的電力輸出，使較小的電池可產(chǎn)出所需的電力。

在納米范圍內(nèi)，與傳統(tǒng)尺寸規(guī)模相比，可更精確地調(diào)整材料性質(zhì)，通過納米范圍組裝技術(shù)可產(chǎn)生更好的材料。

該復(fù)合材料陽極的組裝使其形成高導(dǎo)電的分枝結(jié)構(gòu)，像樹形那樣，它由碳黑納米顆粒在高溫管式爐中退火制成。硅納米顆粒直徑小于30納米，在碳結(jié)構(gòu)中采用化學(xué)蒸氣沉積法生成。硅-碳納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)好像一棵樹那樣。

使用石墨碳作為導(dǎo)電的粘合體，硅-碳納米復(fù)合材料然后再自組裝入開放式的具有互聯(lián)內(nèi)孔孔道的堅(jiān)韌球體中。

這些球體尺寸范圍為10~30微米，可用于生成電池的陽極。相對(duì)較大的復(fù)合材料粉末尺寸（比單一的硅納米顆粒大1000倍）可使粉末加工用于陽極組裝較為容易。

硅-碳球中的內(nèi)部孔道有二大用途，它們可容許液體電解質(zhì)能快速使鋰離子進(jìn)入，以使電池快速充電，它們可為硅的膨漲和收縮提供空間，而不致使陽極破裂。內(nèi)部孔道和納米尺寸顆粒也可為鋰進(jìn)入陽極提供短的擴(kuò)散路徑，提高電池電力特性。

硅顆粒尺寸由化學(xué)蒸氣沉積過程的時(shí)間以及沉積體系所用的壓力來控制。

一旦組裝完成，納米復(fù)合材料陽極就可像常規(guī)石墨結(jié)構(gòu)那樣在電池中予以應(yīng)用，電池生產(chǎn)商采用新的陽極材料對(duì)生產(chǎn)過程沒有什么大的變化。