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几年后,cui和同事偶然发现了另一个纳米技术解决方案。他们创建了像鸡蛋一样的纳米颗粒,并且用锂离子能轻易通过的高导电性碳壳包围“蛋黄”,即每个微小硅纳米颗粒。外壳为“蛋黄”中的硅原子提供了膨胀和收缩的足够空间,并且能保护它们不受电解质以及形成sei层的反应的影响。在一篇2012年发表于《纳米快报》的论文中,cui团队报告称,在1000次循环充放电后,他们的“蛋黄—蛋壳”阳极保留了74%的储能能力。
两年后,他们做得更好。cui和同事将成捆的“蛋黄—蛋壳”纳米颗粒组装成类似于微型石榴的微米尺度结合物。将硅球聚拢增加了阳极的锂存储能力,并且减少了同电解质发生的多余副反应。在2014年2月出版的《自然—纳米技术》杂志上,该团队报告称,基于新材料的电池在1000次循环充放电后,保留了97%的初始储能能力。
今年年初,cui和同事报告了一种甚至胜过其复杂“石榴”组件的解决方案。他们简单地将大的硅颗粒锤打至微米尺度,然后将它们包裹进由石墨烯制成的碳薄片中。被锤打的颗粒在“石榴”中绕成比硅球还大的团,并且大到在几次充电循环后开始破裂。不过,石墨烯包裹物会阻止电解质成分到达硅那里。同时,它还灵活到足以同破裂的颗粒保持联系,并因此将它们的电荷携带至金属线。更重要的是,该团队在《自然—能源》杂志上报告称,较大的硅颗粒物会将更多质量和更多电力“塞进”特定的体积中。同时,和“石榴”相比,制造它们要廉价且简单很多。
聚焦“战斗”的另一半
目前,cui正在将视野放到硅以外。一个聚集点是用纯的锂金属制造阳极。锂金属一直被视为终极的阳极材料,因为和硅相比,它拥有储存更多能量的潜力,并且要轻很多。
不过,这里面也有一些重要问题。sei层通常在锂金属的电极附近形成,而这其实是个好消息:锂离子能穿透这一层,因此sei层在锂阳极附近充当了保护膜的作用。不过,随着电池循环充放电,这种金属会和硅颗粒一样膨胀收缩,同时脉冲会打破sei层。随后,锂离子在裂隙中堆积,导致被称为枝晶的金属尖状物从电极处生长出来。“这些枝晶会刺穿电池隔板,令电池短路,并且使其着火。”cui团队的另一名研究生yayuanliu介绍说。
传统方法并未解决该问题。不过,纳米技术或许可以。在一种阻止枝晶形成的方法中,cui的团队通过用一层相互连接的纳米碳球体包裹阳极,使sei层保持了稳定。在另一种方法中,他们创建了一种新的“蛋黄—蛋壳”颗粒物。这种颗粒物比碳壳大很多,并且其内部由金纳米颗粒制成。当纳米胶囊被制成阳极时,金会吸引锂离子;“蛋壳”为锂提供了收缩和膨胀的空间,而无须让sei层发生破裂,因此枝晶不会形成。
在制造更好的电池方面,改善阳极只是这场“战斗”的一半。cui团队还采用一种受纳米启发的类似方法改进了阴极材料,尤其是硫。和位于阳极一端的硅类似,硫一直被视为阴极的理想选择。每个硫原子能容纳一对锂,从而使其和传统阴极相比原则上可将能量储存增加若干倍变成可能。或许同样重要的是,硫非常便宜。不过,它也存在问题。硫是一种相对中规中矩的导电体,并且会和普通电解质发生反应,形成在几次充放电循环后能消耗电池寿命的化学物质。与此同时,硫阴极往往会储藏电荷,而不是在放电期间将它们抛弃。
cui团队寻求的是一种纳米解决方法。他们将硫颗粒包在高导电性的二氧化钛外壳中,从而使电池能力较传统设计提高了5倍,并且能防止硫的副产品损害电池。研究人员还制造了基于硫的“石榴”版本,并且将硫困在长且薄的纳米纤维内。这些和其他创新不仅提升了电池能力,还使库仑效率(电池在多大程度上释放电荷)从86%提高到99%。“现在,我们在电极两端均拥有了很强的能力。”cui表示。
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