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张广礼(音译)与同事共同提出海绵状硅电极的想法。以前,曾有科学家在硅电极表面蚀刻微孔,但未能在整个材料上刻蚀成功。因此,他们向加州大学的化学家Michael Sailor寻求帮助,Michael Sailor的研究领域包括使用多孔硅追踪污染物和药物投递。PNNL的科学家使用Michael Sailor的方法制作多孔硅—通过化学浴在薄片上刻蚀微孔,然后包裹上一层薄的碳层制作电极。
接着,科研小组和能源部PNNL的环境分子科学实验室材料化学家王重民(音)合作。王重民专注于使用原位透射式电子显微镜的研究。他使用显微镜跟踪记录微型电池的特写视频,使科研人员能够更好地理解电池运行的物理和化学变化。通过显微镜,科研小组观察到了他们研发的海绵状的、碳包覆的硅电极在充放电过程中经历的物理和化学变化。
科研人员发现,在充电过程中,新电极大部分都扩张到材料多孔结构的剩余空间。电极外表面形状只扩大了30%,而常规的硅电极会扩大300%。此外,新电极还不会断裂。经历了1000次充放电循环后,电极的电能容量仍是原来初始容量的80%以上。
张广礼(音)及其科研小组计划研发使用海绵状硅电极的电池样品,其中包括研发流水线的生产工艺,以经济的成本制作海绵状硅电极。
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