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水凝胶改善了锂离子电池性能

时间：2021-09-10 11:25:01 来源：

由水凝胶和硅纳米颗粒的复合材料制成的新的电池电极的例证（Si np）。将每个Si NP封装在导电聚合物表面涂层中并连接到三维水凝胶框架。礼貌易崔

通过具有导电聚合物水凝胶的硅制成的电极，研究人员开发了一种新技术，可以显着提高锂离子电池的电荷存储容量。

斯坦福大学科学家通过创建由硅和导电聚合物水凝胶制成的新型电极来大大提高了锂离子电池的性能，类似于软隐形眼镜和其他家用产品中使用的材料。

在6月4日编写的日志自然通信中，科学家介绍了一种用于生产低成本，基于硅基电池的新技术，具有各种电气设备的潜在应用。

“开发具有高能量密度和长循环寿命的可充电锂离子电池，以满足便携式电子，电动汽车和其他技术的不断增加的能量存储需求至关重要，”化学教授Zhenan Bao进行研究斯坦福的工程。

为了找到一种增加锂离子电池的存储容量的实用，廉价的材料，Bao和她的斯坦福同事转向硅 - 一种丰富的环境良好的元素，具有有前途的电子特性。

“我们一直试图为大容量锂离子电池开发基于硅基电极几年，”斯坦福大学材料科学与工程副教授的义翠学习。“硅具有10倍的电荷存储容量，锂离子电极中使用的常规材料。问题是硅膨胀和突破。“

研究表明，当与锂结合时，硅颗粒可以经历400％的体积膨胀。当电池充电或放电时，膨胀的颗粒倾向于破裂并失去电接触。为了克服这些技术限制，斯坦福团队使用了一种称为原位合成聚合的制造技术，其涂覆导电水凝胶内的硅纳米粒子。

一种新的方式

该技术允许科学家们创造一个稳定的锂离子电池，通过5,000个充电和放电来保留高存储容量。“我们将电池的卓越电化学稳定性归因于硅复合电极的独特纳米级架构，”Bao说。

使用扫描电子显微镜，科学家发现多孔水凝胶基质与空间允许允许硅纳米颗粒插入锂时膨胀。该矩阵还形成三维网络，该网络在充电和放电期间产生电子导电通路。

然后，水凝胶具有与硅颗粒锁定在硅颗粒上的结合位点，同时为电子和锂离子的快速传输提供通道，“斯坦福材料和能源科学研究所的主要研究人员斯拉克国家加速器实验室。“这是一个非常强大的组合。”

证明了水凝胶和硅的简单混合物比原位合成聚合技术更低。“首先使水凝胶与硅颗粒混合并不好，”宝说。“它需要一个额外的步骤，实际降低了电池的性能。通过我们的技术，将每个硅纳米颗粒包封在导电聚合物表面涂层内并连接到水凝胶框架。这提高了电池的整体稳定性。“

解决火灾问题

水凝球主要由水组成，可以导致锂离子电池点燃 - 研究团队必须解决的潜在问题。“我们利用水凝胶的三维网络性质在电极中，但在最终的生产阶段，除去水，”鲍说。“你不想要锂离子电池内的水。”

虽然仍然存在许多技术问题，但CUI对新技术的潜在商业应用持乐观态度，以创建由硅和其他材料制成的电极。

“研究中使用的电极制造过程与现有的电池制造技术相容，”他说。“硅和水凝胶也便宜且广泛可用。这些因素可以允许高性能硅复合电极来扩大用于制造下一代锂离子电池。这是一种非常简单的方法，导致了一个非常强大的结果。“

前斯坦福博士后学者汇武，现在是清华大学 - 北京和桂花宇，现在是德克萨斯州大学的教师，是德克萨斯州大学，是该研究的联合主导作者。其他提交人是斯坦福斯坦福斯坦福州潘·潘和研究生南刘和马修麦克路。

该研究得到了斯坦福斯坦福和美国能源部的Precourt能源研究所支持。通过SLAC实验室指导的研发计划。中国的自然科学基金，美国国家科学基金会和斯坦福毕业生研究生奖学金提供额外的资金。

出版物：Hui Wu，等，“稳定锂离子电池阳极通过原位聚合传导水凝胶以共形地涂硅纳米粒子，”自然通信4，物品编号：1943; DOI：10.1038 / ncomms2941

图像：礼貌易崔


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