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海藻使锂电池容量提升10倍

  如果用硅阳极取代石墨阳极,锂离子电池每个单元就可存储高达10倍的能量。但是,制造商不使用硅,因为随着电池的充放电,这样的阳极会迅速退化。

  乔治亚技术学院(Georgia Institute of Technology)和克莱姆森大学(Clemson University)的研究人员认为,他们已经发现一种成分,可以使硅阳极管用,这种成分是一种常见的结合剂和食品添加剂,来源于藻类,被用于许多家用产品中。他们说,这种材料不仅可以使锂离子电池更有效,而且制备也更清洁,更便宜。

  锂离子电池储存能量,需要在阳极积累离子;在使用过程中,这些离子会迁移,穿过电解质,到达阴极。这种阳极的制备,通常需要混合电活性石墨粉末与一种聚合物粘结剂,这种粘结剂通常是聚偏二氟乙烯(PVDF:polyvinylidene fluoride),溶解在称为甲基吡咯烷酮(NMP)的溶剂中。这样产生的悬浮液要撒到金属箔片上,再晾干,这种箔片用于收集电流。

  如果硅粒子被用作这种电活性粉末的基础,那么,这种电池阳极就可以容纳更多的离子。但是,电池充电时,硅粒子就会膨胀,体积增加到原始尺寸的四倍。这种膨胀会导致聚偏二氟乙烯粘结剂开裂,破坏阳极。在今天《科学》发表的研究中,乔治亚理工学院和克莱姆森大学的科学家表明,用藻朊酸盐(alginate)代替聚偏氟乙烯,阳极可以膨胀,粘结剂也不会开裂。这使研究人员能够制成稳定的硅阳极,到目前为止,已证实硅阳极容量8倍于最好的石墨阳极。

  聚合物藻朊酸盐来自褐藻,包括形成巨型海带森林的那种类型。它已被广泛用作胶凝剂(gelling agent)和食品添加剂。最初,研究人员是想采用几种不同材料的组合,来取代聚偏氟乙烯。后来,在理论上,他们认识到,一种聚合物只要有适当的均匀结构,就可以做到这种粘结剂应做的一切,包括提供良好的支撑结构,同时又不与电解质发生化学反应。

  格列勃?余新(Gleb Yushin)是佐治亚理工学院储能纳米材料中心的研究人员和主任,他说,研究小组认识到,有一些合成聚合物是由植物纤维素派生的,它们具有的结构,接近所需要的,但不够均匀。因此,研究小组开始寻找水生植物。余新说:“我们认为,有可能已经存在一种聚合物(我们可以使用),因为这些水生植物,尤其是在海水中,都是浸泡在电解液中,”这样,也就会发生进化演变,以避免不必要的反应。他们无意中发现了藻朊酸盐,它的提取需要用苏打水煮沸海带,它具有所需的均匀结构。

  对比聚偏氟乙烯,藻朊酸盐的另一个优势是,在制造阳极时,藻朊酸盐可溶解在水中,这就不需要用甲基吡咯烷酮,有可能形成一种更清洁的生产工艺。研究人员认为,粘结剂可以集成到现有的阳极制造系统,只需把聚偏氟乙烯和甲基吡咯烷酮必需品替换为藻朊酸盐和水。藻朊酸盐也可以用来改善石墨阳极的性能,带来更多的充电和放电循环,延长电池使用寿命。

  硅阳极的潜力不可能被充分发挥,直到研究人员开发出可匹配的阴极为止,这种阴极能够处理相同数量的锂离子。不过,即使用现有的阴极,褐藻胶-硅阳极也可使锂离子电池容量增加30%至40%,这是余新所说。

 
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