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阿尔伯塔大学欲利用纳米硅材料打造新款锂电池 充电容量可翻10倍

发布时间:2019-01-22 责任编辑:wenwei

【导读】据外媒报道,阿尔伯塔大学化学家旨在创建新一代的硅基锂电池,相较于当前电池电芯产品,其充电容量翻了10倍。据当前的研究表明,若将硅制成纳米级颗粒、线状或管状物,有助于防止其碎裂。
 
Buriak及其团队想要了解,这类结构的体积需要达到何种程度才能实现硅材料性质的最优化并尽可能降低其不利影响。研究人员将硅纳米颗粒物分为四种不同的尺寸,将其均匀地分散在高导电性石墨烯气溶胶,后者带有纳米级孔隙,该结构可弥补硅导电性的不足。该研究表明,该技术可用于各类依赖于电池储能设备的各类应用中。详见正文。
 
阿尔伯塔大学欲利用纳米硅材料打造新款锂电池 充电容量可翻10倍
 
据外媒报道,阿尔伯塔大学(University of Alberta)化学家旨在创建新一代的硅基锂电池,相较于当前电池电芯产品,其充电容量(ge capacity)翻了10倍。
 
阿尔伯塔大学化学家兼纳米能源材料加拿大研究讲座教授(Canada Research Chair)Jillian Buriak表示:“我们想要开展多种测试,查看不同尺寸的硅纳米颗粒对电池内部碎裂的不同影响。”
 
对于大容量电池而言,硅的应用潜力较大,因为该款材料的储量丰富,相较于石墨,电池内硅材料对锂离子的吸纳量更大。但在多次充放电后,硅容易出现碎裂或断裂,因为该材料在吸纳及释放锂离子后,自身会膨胀和收缩,易出现裂痕。
 
阿尔伯塔大学欲利用纳米硅材料打造新款锂电池 充电容量可翻10倍
 
据当前的研究表明,若将硅制成纳米级颗粒、线状或管状物,有助于防止其碎裂。Buriak及其团队想要了解,这类结构的体积需要达到何种程度才能实现硅材料性质的最优化并尽可能降低其不利影响。
 
研究人员将硅纳米颗粒物分为四种不同的尺寸,将其均匀地分散在高导电性石墨烯气溶胶(highly conductive graphene aerogels),后者带有纳米级孔隙,该结构可弥补硅导电性的不足。她们发现,在直径1米的范围内,存在30亿个纳米级颗粒,在多次充放电后,可提供长期的稳定性。
 
Buriak解释道:“随着颗粒物尺寸的缩小,我们发现对应力的管控力增强,因为可基于锂的合金化与去合金化(alloying and dealloying)‘呼吸(breathes)’。”
 
该研究表明,该技术可用于各类依赖于电池储能设备的各类应用中。想象下,若用户电动车的车载电池尺寸与特斯拉电池尺寸相同,但其续航里程数或将提升10倍,其充电时间或将缩短为之前的1/10,而车载电池的重量也只有之前的1/10。
 
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据外媒报道,澳大利亚先进材料技术公司塔尔加资源公司(Talga Resources)公布了其在英国研发的石墨烯硅基锂离子电池负极的初步测试结果,该结构是由英国政府提供资助的“Safevolt”项目的第一个成功结果。该项目由塔尔加牵头,与联盟合作伙伴庄信万丰(Johnson Matthey)、英国剑桥大学(University of Cambridge)以及制造业研究小组TWI共同开展。
 
在该项目中,塔尔加正研发一种高能量密度的石墨烯硅电池负极产品,称为TalnodeTM-Si,比其他商用石墨负极的能量密度明显更高。塔尔加董事总经理Mark Thompson表示,TalnodeTM-Si将满足日益增长的锂离子电池的需求,该电池具有更高容量,可增加电动汽车的续航里程,增长便携式电子设备的工作时间。
 
阿尔伯塔大学欲利用纳米硅材料打造新款锂电池 充电容量可翻10倍
 
主要的锂离子电池制造商都通过在石墨负极中增加硅含量来提高电池能量密度,但是硅的使用受到电池寿命和稳定性问题的阻碍。塔尔加的测试结果表明使用石墨烯的TalnodeTM-Si可在硅膨胀时保持其稳定性,从而在确保电池寿命的同时实现更高的能量密度。
 
最近,几家汽车制造商表示打算在下一代电池组中采用更高的能量-重量比,而电池负极材料供应链的其他大型集团也已经将石墨中的硅技术用于生产氧化硅基石墨。例如,大众汽车公司估计,从2018年至2025年,其电池能量密度可增加25%,并且目标是在2020年在电池负极中采用20%的硅。
 
容量更高的电池可通过延长电子设备运行时间或增加电动汽车的续航里程而使工业受益。此外,容量更高还能降低成本,因为增加的能量密度可减少整个电池组中的每单位能量(Kw/hr)成本。增加的电池容量对客户来说是一个非常重要的指标,特别对于中国客户来说,因为中国的新能源汽车的补贴与其电池能量密度相关,而且中国新能源汽车利润丰厚。
 
目前,塔尔加正在英国剑桥大学的麦克斯韦尔中心(Maxwell Centre)的电池材料工厂进一步测试和优化TalnodeTM-Si,正在准备该负极的临时样本,以便根据保密的材料转让协议交付给亚洲的终端客户。
 
 
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