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近几年,电脑、手机的技术进步不小,但不断增大的屏幕和眼花缭乱的软件让其电池寿命越来越短,不管像素多高、运行多快的手机,唯一令人不满意的就是电池。不过,美国西北大学的一个科研小组日前宣称,他们通过技术可以提高锂离子电池的性能,不仅充电速度变快,电池维持时间也变长,而且电力更足。
据悉,该小组在关注能源相关材料的国际期刊《先进能源材料》上,发表了名为《平面空穴制成高功率硅-石墨烯复合电极用于锂离子电池》(In-Plane Vacancy-Enabled High-Power Si-Graphene Composite Electrode for Lithium-Ion Batteries)的论文。
该小组自信地表示,利用该技术为手机、电脑等电池充电,充电速度比目前其它电池要快10倍,仅需要15分钟,但电量可以持续使用一周左右。“即使经过150次充电,或者使用时间超过1年甚至更长,电池效率仍然比当今市场上的锂离子电池高5倍。”该小组负责人、西北大学麦考密克工程和应用科学学院教授哈罗德博士称。
哈罗德表示,锂离子的密度和活动是这一技术的关键,而我们找到了一种可以容纳更多离子并加快它们活动的方法,以此来改变电池的整体效率。
事实上,锂离子电池充电主要是在电池两端间传送,也就是在正极和负极间传送。目前的锂电池中,正极制备主要采用多层碳基石墨烯薄片,每6个碳原子只能容纳1个锂原子。由此,小组尝试利用硅取代碳,因为每1个硅原子可容纳 4个锂原子,但在充电过程中,硅膨胀和收缩很剧烈,会导致破裂,迅速丧失充电容量。
为了稳定硅,研究小组把成簇的硅夹在柔性石墨烯薄片之间,这间接使更多数量的锂原子停留在电极上,然后利用柔性石墨烯薄片的特点适应充电过程中硅的体积变化。即使最后硅簇破裂,这些柔性石墨烯薄片也大大降低了硅膨胀和收缩造成的容量损失。
此外,充电电流速度是掌控电池充电时间的主因。但由于石墨烯薄片非常薄,锂离子从正极移动到负极的过程中较为“拥挤”,速度受限,充电时间自然很长。对此,研究小组利用化学氧化过程,在石墨烯薄片上戳出成千上万个10—20纳米的微孔,让锂离子可以抄近路迅速到达负极,这样充电的时间就大幅缩短了。
哈罗德估计,该技术为未来锂电池的发展拓宽了道路,小到手机,大到电动汽车都可以应用这一技术。“我确信,未来3—5年内这一技术会出现在市面上。”哈罗德表示。
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