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美國(guó)利用磷制新陽(yáng)極 可將鋰離子電池容量提高至少9倍
時(shí)間:2020-08-24 23:19來(lái)源:蓋世汽車(chē) 作者:余秋云
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（圖片來(lái)源：阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）
據(jù)外媒報(bào)道，美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）的科學(xué)家們?cè)诟呷萘夸囯x子電池研發(fā)方面取得了新進(jìn)展，可滿足日益增長(zhǎng)的電池消費(fèi)需求。
隨著路上的電動(dòng)汽車(chē)越來(lái)越多，人們對(duì)消費(fèi)電子產(chǎn)品依賴性日益增強(qiáng)，研發(fā)高容量，或者能夠存儲(chǔ)大量電量的鋰離子電池的需求也隨之高漲。
增加鋰離子電池總?cè)萘康钠渲幸环N方法是增加陽(yáng)極或負(fù)極的能量容量。在過(guò)去幾十年中，最先進(jìn)的鋰離子電池都由石墨陽(yáng)極制成，石墨的能量容量是固定的，意味著其容量不會(huì)衰減，而且此種材料不會(huì)開(kāi)裂，即使電池經(jīng)過(guò)了1000次的充放電循環(huán)。不過(guò)，石墨的理論能量容量較低，無(wú)法滿足當(dāng)今社會(huì)日益增長(zhǎng)的能源需求。
在一項(xiàng)新研究中，由美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一支研究團(tuán)隊(duì)展示了一種容量更高的陽(yáng)極材料。該復(fù)合材料最初為鈉離子電池研發(fā)，而商用鈉離子電池比鋰離子電池的使用次數(shù)更少。于是，該項(xiàng)研究就試圖將此種材料應(yīng)用到鋰離子電池中。
最近，有兩種材料站到了下一代電池陽(yáng)極研究的前沿——硅和磷。理論上，硅和磷的能量容量至少是石墨的10倍，即可以超過(guò)鋰離子電池的能量容量要求。根據(jù)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室杰出研究員兼高級(jí)材料科學(xué)家Khalil Amine所說(shuō)，硅有兩個(gè)問(wèn)題，其一是充電過(guò)程中，硅在鋰化時(shí)會(huì)大面積膨脹，可能會(huì)導(dǎo)致此種陽(yáng)極材料斷裂，從而導(dǎo)致電池能量容量損失。
第二個(gè)問(wèn)題與初始庫(kù)倫效率（ICE）有關(guān)。當(dāng)電池完成一個(gè)完整的充放電循環(huán)后，從理論上看，電池電荷輸出應(yīng)該與電荷輸入一致。但是，由于鋰與陽(yáng)極材料發(fā)生反應(yīng)，電荷輸出中的一些能量會(huì)損失掉。為了研發(fā)實(shí)用性鋰離子電池，在首次充放電循環(huán)時(shí)，電池輸出電荷與輸入電荷的比率應(yīng)該在90%以上，即庫(kù)倫效率要達(dá)90%。但是，硅陽(yáng)極鋰離子電池的庫(kù)倫效率低于80%，導(dǎo)致此種電池不實(shí)用。
于是，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員研究了兩種磷：黑磷和紅磷。研究人員表示：“磷的能量容量很高，庫(kù)倫效率也很高，超過(guò)90%。”庫(kù)倫效率高于90%意味著陽(yáng)極材料和電解質(zhì)之間幾乎沒(méi)有發(fā)生副反應(yīng)，在電池初始充放電循環(huán)中鋰的損失并不多。
因此，該團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了陽(yáng)極復(fù)合材料，主要由黑磷和導(dǎo)電碳化合物組成，其中黑磷是一種理論上容量很高的導(dǎo)體。為了打造該復(fù)合材料，研究人員還將大塊的磷與導(dǎo)電碳研磨成微米大小的顆粒，以增加陽(yáng)極的密度。
當(dāng)測(cè)量電池的壽命周期，即可以充放電多少次時(shí)，研究人員采用了阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光子源（APS）和納米材料中心（CNM），這兩個(gè)都是能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室下屬機(jī)構(gòu)。采用APS現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)環(huán)光源X射線衍射以及CNM的現(xiàn)場(chǎng)掃描電子顯微鏡，該團(tuán)隊(duì)可以觀察到電池反復(fù)充放電時(shí)，陽(yáng)極相位和體積的變化情況。
在證明了黑磷復(fù)合材料具有穩(wěn)定性后，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)了由紅磷制成的復(fù)合材料。盡管黑磷的導(dǎo)電性比紅磷好，但是在用于市場(chǎng)應(yīng)用時(shí)太昂貴。在采用了經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的紅磷復(fù)合材料后，該電池的穩(wěn)定性與采用黑磷的電池類(lèi)似，而且還具有很高的庫(kù)倫效率以及很高的實(shí)際容量。
目前，該團(tuán)隊(duì)正在研究主要由紅磷制成的復(fù)合材料，而且該材料也顯示出很有發(fā)展前景的結(jié)果。
(責(zé)任編輯：子蕊)
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