阳极结构可以增强锂离子电池的性能

这种简单、低成本的制造技术由佐治亚理工学院、威斯康辛-麦迪逊大学和Superior Graphite的研究人员开发，旨在易于扩大规模，并与现有的电池制造兼容。

佐治亚理工学院(Georgia Institute of technology)材料科学与工程学院助理教授格列布•尤申(Gleb Yushin)说，这种生产具有可控性质的分层正极颗粒的新方法的开发，为锂离子电池技术的许多新方向打开了大门。“这是锂离子电池硅基负极材料商业化生产的重要一步。”

锂离子电池通过液体电解质在阴极和阳极之间传递锂离子。锂离子在充电和放电循环中进入两个电极的效率越高，电池的容量就越大。

据说，现有的锂离子电池依赖于由石墨制成的阳极。从理论上讲，硅基阳极的容量比石墨提高了10倍，但到目前为止，硅基阳极还不够稳定，无法用于实际应用。

石墨阳极使用的颗粒大小从15微米到20微米。如果用这种大小的硅颗粒代替石墨，锂离子进入和离开硅时的膨胀和收缩会产生裂缝，导致阳极失效。

据报道，这种新型纳米复合材料解决了这种退化问题，有可能让电池设计师利用硅的容量优势。这可以促进在给定尺寸的电池下输出更高的功率，或者允许更小的电池产生所需的电量。

Yushin说:“在纳米尺度上，我们可以比在传统尺寸尺度上更精确地调整材料的性能。”“这是纳米级制造技术带来更好材料的一个例子。”

对小型硬币电池中新型复合阳极的电测量表明，它们的容量比石墨的理论容量大五倍以上。

制造

复合阳极的制造首先是由炭黑纳米颗粒在高温管式炉中退火而成的高导电性分支结构的形成——类似于树木的树枝。然后使用化学气相沉积工艺在碳结构中形成直径小于30nm的硅纳米球。

使用石墨碳作为导电粘合剂，硅碳复合材料然后自组装成具有开放、相互连接的内部孔隙通道的刚性球体。这些球体的尺寸从10微米到30微米不等，用于形成电池阳极。相对较大的复合粉末尺寸-比单个硅纳米颗粒大1000倍-使阳极制造的粉末加工变得容易。

硅碳球的内部通道有两个目的:它们允许液体电解质快速进入，以使锂离子快速充电;它们提供空间来容纳硅的膨胀和收缩，而不会破坏阳极。内部通道和纳米级颗粒还提供了锂扩散到阳极的短路径，提高了电池的功率特性。

硅颗粒的大小由化学气相沉积过程的持续时间和应用于沉积系统的压力控制。碳纳米结构分支的大小和硅球的大小决定了复合材料中的孔隙大小。

根据Yushin的说法，硅碳复合材料的生产可以扩大为一个连续的过程，适合于超高产量的粉末制造。他补充说，由于最终的复合球体在被制造成阳极时相对较大，自组装技术避免了处理纳米级粉末的潜在健康风险。

一旦制造完成，纳米复合阳极将像传统的石墨结构一样用于电池中。这将允许电池制造商采用新的负极材料，而无需在生产工艺上做出重大改变。

到目前为止，研究人员已经通过100多次充放电循环测试了这种新阳极。Yushin认为，这种材料可以在数千次循环中保持稳定，因为没有明显的降解机制。

他说:“如果这项技术能够在容量基础上提供更低的成本，或者比现有技术更轻的重量，这将有助于推动锂电池市场的发展。”“如果我们能生产出价格更低、续航时间更长的电池，这也会促进许多‘绿色’技术的采用，比如电动汽车或太阳能电池。”