使用自組裝納米復合材料的鋰離子陽(yáng)極可提高電池能力

使用自組裝納米復合材料的鋰離子陽(yáng)極可提高電池能力。美國媒體于2010年3月16日公布，基于硅-碳納米復合材料的高性能陽(yáng)極材料可望大大提高應用于寬范圍領(lǐng)域（從混合動(dòng)力汽車(chē)到便攜式電器）使用的鋰離子電池的性能。

采用“從底部向上”的自組裝技術(shù)生產(chǎn)的新結構利用了納米技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，克服了以前硅基電池陽(yáng)極的缺陷。這一簡(jiǎn)單、低成本的組裝技術(shù)設計可使放大較容易，可與現有電池制造相媲美。

新的自組裝技術(shù)已發(fā)布在3月14日《自然材料雜志（journal Nature Materials）》上。

新途徑的開(kāi)發(fā)為生產(chǎn)具有可控性質(zhì)、分等級的陽(yáng)極或陰極顆粒材料打開(kāi)了大門(mén)，為鋰離子電池技術(shù)提供了新的材料，這向商業(yè)化生產(chǎn)鋰離子電池硅基陽(yáng)極材料邁出了重要一步。

現有的鋰離子電池依賴(lài)于碳形式的石墨來(lái)制取陽(yáng)極，硅基陽(yáng)極在理論上其能力要比石墨高出10倍，但硅基陽(yáng)極在實(shí)際應用中不夠穩定。

石墨陽(yáng)極使用的顆粒尺寸為15~20微米，如果該尺寸的硅顆粒只簡(jiǎn)單地替代石墨，則隨著(zhù)鋰離子的進(jìn)出，而產(chǎn)生的擴張和收縮，硅會(huì )產(chǎn)生破裂而快速引起陽(yáng)極損壞。

新的納米復合材料解決了這一降解問(wèn)題，有潛力可使電池設計具有使用硅的能力優(yōu)勢。這有助于提高給定電池尺寸的電力輸出，使較小的電池可產(chǎn)出所需的電力。

在納米范圍內，與傳統尺寸規模相比，可更精確地調整材料性質(zhì)，通過(guò)納米范圍組裝技術(shù)可產(chǎn)生更好的材料。

該復合材料陽(yáng)極的組裝使其形成高導電的分枝結構，像樹(shù)形那樣，它由碳黑納米顆粒在高溫管式爐中退火制成。硅納米顆粒直徑小于30納米，在碳結構中采用化學(xué)蒸氣沉積法生成。硅-碳納米復合材料結構好像一棵樹(shù)那樣。

使用石墨碳作為導電的粘合體，硅-碳納米復合材料然后再自組裝入開(kāi)放式的具有互聯(lián)內孔孔道的堅韌球體中。

這些球體尺寸范圍為10~30微米，可用于生成電池的陽(yáng)極。相對較大的復合材料粉末尺寸（比單一的硅納米顆粒大1000倍）可使粉末加工用于陽(yáng)極組裝較為容易。

硅-碳球中的內部孔道有二大用途，它們可容許液體電解質(zhì)能快速使鋰離子進(jìn)入，以使電池快速充電，它們可為硅的膨漲和收縮提供空間，而不致使陽(yáng)極破裂。內部孔道和納米尺寸顆粒也可為鋰進(jìn)入陽(yáng)極提供短的擴散路徑，提高電池電力特性。

硅顆粒尺寸由化學(xué)蒸氣沉積過(guò)程的時(shí)間以及沉積體系所用的壓力來(lái)控制。

一旦組裝完成，納米復合材料陽(yáng)極就可像常規石墨結構那樣在電池中予以應用，電池生產(chǎn)商采用新的陽(yáng)極材料對生產(chǎn)過(guò)程沒(méi)有什么大的變化。