硅海绵可替代锂离子电池中的石墨组件
2012-07-25
据物理学家组织网近日报道，美国科学家找到一种方法用硅海绵替代石墨作为可充电内的元件，借此可研制出持续时间更长且性能更强的电池，用于商用电子设备和电动汽车上。研究发表在美国化学学会本月出版的《材料化学》杂志上。
这项研究由莱斯大学和洛克希德—马丁公司携手进行，研究的领导者、莱斯大学化学和生物分子工程学教授斯巴尼·利萨-比斯沃尔和该大学科学家曼都瑞·萨克尔撰文指出，借用他们研发的这一过程，能将比自身重4倍的物体存储在锂中。
硅是地球上最常见的元素之一，能替代石墨作为电池内的阳极。此前该团队就发现，多孔硅吸收锂的能力是石墨的10倍多。这是因为硅吸收锂离子后会延展，像海绵一样的构造赋予了硅在电池内部生长的余地，同时也不会对电池的性能造成损害。2010年，该团队发现当硅海棉拥有1微米宽、12微米深的小孔时，能在电池领域大展拳脚，但当时的固体硅基座无法吸收锂，仍然有待改进。
在最新研究中科学家发现，用来制造这些小孔的电化学蚀刻过程能将海绵同基座分开，基座接着可以被重新使用，制造出更多海绵。研究人员称，从一个标准的250微米厚的硅晶圆上，至少可以提取到4块这样的海绵。而其一旦被从硅晶圆上提取出来，上、下都是打开着的，通过将其浸入一个导电的聚合物黏结剂聚丙烯腈(PAN)内，就可大大增强其导电性。
科学家由此得到了一块坚硬的薄膜，其能被依附到一个集电器上并放置于电池结构内，并最终借用这一过程制造出了一款锂离子电池，其放电能力高达每克1260毫安时，这使其使用寿命更长。
研究人员在比较中发现，使用薄膜之前，电池的初始放电容量是每克757毫安时，但第二次充放电循环之后，放电容量就开始迅速下降，并在经过15次循环后完全消失殆尽;而经过处理的薄膜在4次循环后就即开始增加放电容量，多孔硅表现得特别明显，经过20次循环后，电池的放电容量仍然完好无损。
目前，科学家正在研究有望能大大增加充放电循环次数的技术，以便能研发出可持续使用几年的电池。
