鋰離子電池是各種設(shè)備的核心,包括智能手機、筆記本電腦及日益增加的電動汽車等。所以很多研究人員都有興趣使用先進的材料提高鋰離子電池的表現(xiàn),使它們更輕、更緊湊,能夠儲存更多的能量。得克薩斯州工程師開發(fā)的一種新的錫鋁合金可能會在三個方面發(fā)揮作用,甚至同時可能使其生產(chǎn)更快,生產(chǎn)成本更低。
多年來,大規(guī)模生產(chǎn)的鋰離子電池依靠石墨和銅作為其陽極。多年來,研究人員一直在尋找可以克服這些材料的限制的替代材料,其中包括高成本的生產(chǎn)和有限的存儲容量(例如,硅可以存儲10倍的能量,盡管它構(gòu)成了另一系列問題)。
創(chuàng)建現(xiàn)今的陽極是一個費力的多步驟過程,其中石墨被涂覆銅箔上。然而,正如德克薩斯大學奧斯汀分校材料科學家兼新研究主要作者Karl Kreder所解釋的,就制造工藝和電池本身而言,這樣做會導致效率低下。
Kreder表示:“所以活性材料(石墨)涂在惰性集電器(銅)的頂部。 這增加了系統(tǒng)的體積和非活性材料質(zhì)量,通過將集電器和活性材料結(jié)合在一起,可以使用更高容量的活性材料,同時使用更少的非活性電流收集材料。”
Kreder和他的團隊通過簡化的制造方法實現(xiàn)了這一點,該方法省去了繁瑣的涂覆工藝。當錫被鑄造成塊時,錫能夠直接加入到鋁中,從而形成合金,然后可以機械地軋制(相對便宜和普通的冶金合金化工藝)成納米結(jié)構(gòu)的金屬箔。最后一步,材料中的顆粒減少,這是至關(guān)重要的。
Kreder解釋說:“錫可以與鋰形成合金。 不幸的是,如果使用錫箔或者甚至使用微米大小的錫顆粒,錫在與鋰形成合金時由于體積膨脹而循環(huán)時會斷裂,這意味著如果用大的錫顆粒制造電池,僅能維持數(shù)十次的充放電循環(huán),但如果制造納米級的錫顆粒,合金化過程中顆粒不會分裂。”
研究人員將所得到的材料稱為交叉共晶合金(IdEA)陽極,他們認為其厚度僅是傳統(tǒng)陽極材料的四分之一,而重量僅有傳統(tǒng)材料的一半。他們在小型鋰離子電池中對這種陽極材料進行測試,然后對其進行充電和放電以測量性能。他們發(fā)現(xiàn),這種陽極的電量儲存能力是傳統(tǒng)銅-石墨陽極的兩倍。
克雷德說:“這樣做的原因很好,其中一個元素是活性的,錫,另一個是惰性的,鋁。 “鋁制造了一個導電的基體,在這個基體中錫保持著,鋁提供了結(jié)構(gòu)和導電性,而錫在電池循環(huán)時與鋰合金化和去合金化。
該團隊的負責人之一,德克薩斯州材料研究所所長Arumugam Manthiram表示:“能夠開發(fā)出一種便宜、,可擴展的電極納米材料制造工藝,實在令人振奮。 我們的研究結(jié)果表明,這種材料在鋰離子電池商業(yè)化進展所需的性能指標方面取得了成功。”