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美科学家研发自我修复电极,电池寿命将大大延长

在全球范围内,研究人员正围绕锂离子电池进行着激烈的竞争,他们工作的目标是寻找到在锂离子电池负极存储更多电能的途径,以便更进一步地提高锂离子电池的性能,同时降低电池的重量。迄今为止,人们认为最具有发展前景的电极材料之一是硅。电池在充电时,硅材料电极拥有极强的从电池液中摄取锂离子的能力;放电时,它能迅速地释放存储的锂离子让电池输出电能。

但是,如此高性能的后面则是高昂的代价。每当电池充电时,硅电极的体积会膨胀至正常大小的3倍,放电后再恢复至原形。于是,具有脆性的硅材料很快就会出现裂痕并脱落,严重地影响电池的性能。对于高性能电池来说,电极的缺陷是它们普遍具有的问题。不过,锂离子电池电极的问题有望在不久的将来得到解决,因为美国斯坦福大学和能源部科学家近日表示,他们首次研发出了能够进行自我修复的电池电极,该研究成果为汽车、手机和其他设备制造下代锂离子电池开辟了新的潜在可行的途径。

斯坦福大学和能源部SLAC国家加速器实验室联合研究小组介绍说,自我修复电极采用已广泛应用在半导体和太阳能电池行业的硅微粒材料制成,其核心是在电极表面覆盖具有延展性的高分子涂层,该材料相互间紧密相连。电池在工作时,如果涂层出现微小裂痕,高分子材料能够自我修复这些裂痕。相关的研究报告将发表在最新的《自然·化学》杂志上。

斯坦福大学博士后、文章作者之一王超(音译)表示,动物和植物的自我修复能力对它们的生存和长寿十分重要,研究小组所希望的是将自我修复的特性在锂离子电池中体现出来,以便电池具有更长的寿命。在斯坦福大学鲍振安(音译)教授领导的实验室中,王超开发出了自我修复的高分子材料。鲍教授的研究小组从事弹性电子皮肤材料的研究,该材料用于机器人、假肢等。清华大学研究人员吴辉(音译)是文章的主要作者之一,他曾在斯坦福大学做博士后研究。

在电池项目上,研究人员将微小的碳纳米粒子加入高分子材料中让其导电。为获得自我修复涂层材料,他们有意地采取措施,弱化了高分子内某些化学键,如此处理后的材料容易出现断裂,但是断裂端又能以化学方式相吸引,很快再次连接起来,如同DNA等生物分子实现组装、重排和断裂的过程。

研究显示,自我修复电极在经过上百次充/放循环后,电能存储能力没有显著的下降。鲍教授说,在电池电极具有自我修复高分子涂层后,由于高分子材料能在数小时内修复自身的微小裂痕,因此电池的寿命延长了10倍。SLAC国家加速器实验室教授、与鲍教授共同领导研究的副教授崔毅(音译)认为,现在电池储能的能力已实现了实用范围值,不过他们仍将继续向更高的目标努力,因为上百次充/放电的数据离手机500次以及电动汽车3000次充/放电的目标还有相当大的差距。

崔毅和其他地方的研究人员一样,为保持硅电极不变和改善它们的性能,对不同的方法进行了大量的研究。虽然有些研究成果得到了商业应用,但是这些方法中采用了有毒材料和加工技术,这给大批量生产带来了难题。研究人员此次开发的由硅微粒制成、其外具有导电高分子涂层的自我修复电极是人们首次寻找到有望赋予实际应用的电极。研究人员表示,他们的成果还有望用于研发其他的电极材料,他们将继续改进新技术,提高硅电极的性能和寿命。

 

来源:中国科技网-科技日报

作者:毛黎

 

 

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