用夹心与钻孔技术提高锂电池性能

2012-01-06      785 次浏览

美国西北大学教授哈罗德•孔博士在近期的《高级能量材料》杂志上发表文章,对提高锂电池储能和充电效率的“夹心”与“钻孔”技术作了详细介绍。
    夹心技术提高储能效率
    锂离子电池中的锂离子位于电池正极材料“石墨烯”之间,“石墨烯”是层层叠叠的碳原子,锂离子也就位于这些碳层之间。锂电池充电就是将锂离子送往电池正极的过程,放电即工作时则恰恰相反。因此,锂离子电池的储电量是由能够到达正极的锂离子数量决定的。
    传统的“石墨烯”锂离子电池中,每六个碳原子可容纳一个锂原子。为了增加储电量,科学家尝试过用硅来代替碳,因为每四个硅原子可以容纳一个锂原子,所以,从理论上来说,用硅取代碳可以获得超过三成以上的储电量。
    但硅元素的缺点是充放电时会热胀冷缩,功率大时可能发生碎裂,从而损坏电池,使电池迅速失去电力。
    夹心技术应运而生,其做法是:将细小的硅簇夹在两个碳层中间,从而生成新的包含硅原子的“石墨烯”。结果是:在充放电过程中石墨烯的碳层和硅簇共同膨胀与收缩,而不至于破裂,有效地提高了电池的能量密度,使得储电量在电池结构稳定的前提下得以提升。
    钻孔技术提高充电效率
    充电就是锂离子进入正极石墨烯片中心的过程,也就是说,锂离子就位的时间越短,则充电越快,效率越高,因此,影响充电效率的是石墨烯的形状。
    传统的石墨烯片是一个薄膜状结构,厚度仅有一个原子,这使得它的面积显得相当庞大。锂电池充电时,锂离子必须从石墨烯的边缘地带向前移动爬到两个石墨烯片也就是两碳层中间停留。如果众多的锂离子同时向中间地带爬行,必然会造成拥挤,也就影响到充电时间的延长。
    钻孔技术就是通过在石墨烯上钻孔给这些锂离子开辟多条道路,多一条通道就多一倍效率。具体做法是:在碳层上钻出数以百万计的直径为10~20纳米之间的小孔,由于氧化作用,锂离子能够更加自由地在电池中穿行而不堵塞,从而提高充电效率。
    通过上述两个工艺的改进,使得锂电池能量密度大幅度提高,储电量和充电速度可以提高十倍。

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