硅海綿可替代鋰離子電池中的石墨組件
2012-07-25
據物理學家組織網近日報道，美國科學家找到一種方法用硅海綿替代石墨作為可充電內的元件，借此可研制出持續時間更長且性能更強的電池，用于商用電子設備和電動汽車上。研究發表在美國化學學會本月出版的《材料化學》雜志上。
這項研究由萊斯大學和洛克希德—馬丁公司攜手進行，研究的領導者、萊斯大學化學和生物分子工程學教授斯巴尼·利薩-比斯沃爾和該大學科學家曼都瑞·薩克爾撰文指出，借用他們研發的這一過程，能將比自身重4倍的物體存儲在鋰中。
硅是地球上最常見的元素之一，能替代石墨作為電池內的陽極。此前該團隊就發現，多孔硅吸收鋰的能力是石墨的10倍多。這是因為硅吸收鋰離子后會延展，像海綿一樣的構造賦予了硅在電池內部生長的余地，同時也不會對電池的性能造成損害。2010年，該團隊發現當硅海棉擁有1微米寬、12微米深的小孔時，能在電池領域大展拳腳，但當時的固體硅基座無法吸收鋰，仍然有待改進。
在最新研究中科學家發現，用來制造這些小孔的電化學蝕刻過程能將海綿同基座分開，基座接著可以被重新使用，制造出更多海綿。研究人員稱，從一個標準的250微米厚的硅晶圓上，至少可以提取到4塊這樣的海綿。而其一旦被從硅晶圓上提取出來，上、下都是打開著的，通過將其浸入一個導電的聚合物黏結劑聚丙烯腈(PAN)內，就可大大增強其導電性。
科學家由此得到了一塊堅硬的薄膜，其能被依附到一個集電器上并放置于電池結構內，并最終借用這一過程制造出了一款鋰離子電池，其放電能力高達每克1260毫安時，這使其使用壽命更長。
研究人員在比較中發現，使用薄膜之前，電池的初始放電容量是每克757毫安時，但第二次充放電循環之后，放電容量就開始迅速下降，并在經過15次循環后完全消失殆盡;而經過處理的薄膜在4次循環后就即開始增加放電容量，多孔硅表現得特別明顯，經過20次循環后，電池的放電容量仍然完好無損。
目前，科學家正在研究有望能大大增加充放電循環次數的技術，以便能研發出可持續使用幾年的電池。
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