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鋰離子電池還有前進的動力嗎 還能產生革命性的進步嗎?

* 來源: * 作者: admin * 發表時間: 2021-04-19 21:23:49 * 瀏覽: 36
   2019年,Goodenough老爺子終于獲得諾貝爾化學獎,鋰離子電池也終于將電池霸主的地位坐穩。時至今日,無論是動力電池、移動電源,還是柔性健康醫療器件,鋰離子電池無處不在。
然而,鋰離子電池有本征的天花板。當今時代,人們對電池的成本、壽命、安全性都有更高的要求。那么,鋰離子電池還有前進的動力嗎?我們還能不能基于鋰離子電池,產生革命性的進步?
2021年3月30日,國內某手機廠商發布新機,其中一個核心亮點,就在于其采用了超級快充、容量高達5000mAh的硅負極鋰離子電池。
在此之前,硅負極技術主要用于新能源汽車新型動力電池開發,而且還未大規模使用,在手機上就更沒有人用過了。小米算是垮了個界,不知道這算不算降維打擊?但是從汽車領域下行到手機領域,也是一大創舉。
今天,我們就來講一講硅負極的一些故事,希望對相關領域研究人員有所啟發。
電池最關鍵的一個指標是能量密度,提升這一性能的核心在于正極材料和負極材料,尤其是負極材料。目前鋰離子電池主流正極材料是金屬氧化物,而主流負極材料是石墨,理論容量為 372 mAh. g-1。
石墨具有優良的導電性,使電子可以很容易傳遞到電路的金屬導線中。但是石墨在放電過程中儲存鋰離子的能力馬馬虎虎,需要六個碳原子來結合一個鋰離子,這種缺陷限制了電極所承載的鋰含量,從而限制了電池所能儲存的能量。
在這方面,硅就可以做得更好!每個Si原子都可以和4個鋰離子結合,理論上來說,硅基負極材料比石墨負極材料可以存儲多10倍的能量,理論容量高達4200mAh/g,這正是電化學家們幾十年來苦苦追尋都沒有實現的目標。
利用塊狀的Si來制備負極材料還是很容易的,但是存在很多問題,其中有兩個最核心的問題,影響電學傳導,并造成容量降低,最終導致電池失效,大大縮短了電池的使用壽命:
1)體積膨脹:充放電過程中體積膨脹高達420%,容易導致顆粒和電機的破裂。
2)SEI膜:充放電過程中發生副反應,形成不穩定、不導電的固體電解質界面SEI膜。
那么,怎么辦呢?
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納米技術改造硅負極的方案
2008年,一個名不見經傳的年輕科學家提出了一個全新的解決方案。他帶領的團隊發明了一種硅納米線負極,有效減緩了壓力和應力作用,徹底擊敗了體相硅負極材料。當鋰離子在硅納米線中嵌入和脫離時,硅納米線受到的損傷非常小,經過10次循環,這種負極材料還可以保持其理論儲能容量的75%。
雖然還只是一個初步的嘗試,但是,這個年輕的科學家已經在無意中開創了電池納米技術的潮流。在所有人都在通過傳統的材料改性來提高負極材料性能的時候,他就致力于將納米技術和電池電化學緊密結合,開發了一系列新型的電池納米技術。自此以后,電池納米技術的研究,成為了電池研究領域的一股旋風。
這個年輕人,他的名字叫崔屹。
崔屹是硅負極技術領域的先鋒和代表人物之一。在加州大學伯克利分校做研究的時候,受到勞倫斯伯克利國家實驗室主任,諾獎得主Steven Chu的啟發,崔屹開始接觸之前從沒有接觸過的電池領域。Chu認為,納米技術為清潔能源提供了一個嶄新,而又重要的旋鈕。研究人員不僅可以在最小的尺度上控制材料的化學成分,還可以控制材料內部原子的排列,從而真正明白所發生的化學反應是如何進行的!
經過十多年的深入研究,崔屹向大家展示了他如何利用納米技術來解決電池化學中長期存在并阻礙科技發展的重難點問題:
1)利用Si取代標準石墨,作為鋰離子電池負極材料;
2)利用金屬鋰作為負極材料;
3)基于Li-S化學的電池,將比任何鋰離子電池更強大。
崔屹團隊多年來致力于應用納米技術改善鋰離子電池的硅負極性能,根據崔屹教授的講座,本文簡要整理了他們開發的11代硅負極電池納米技術。(本數據截止2016年,現在過去5年了,應該不止11代了。)
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