新型硅电池的性能优于典型的锂离子电池

莱斯大学的研究人员开发了另一种锂离子（锂离子）硅电池阳极，但这一次是压碎的多孔硅阳极。

莱斯大学的一份新闻稿指出，研究人员“通过精确地粉碎以前的工作，制造出了高容量，长寿命和低成本的负极材料，具有可观的商业潜力，对锂离子电池技术进行了精炼，” 。

该研究由西巴尼·丽莎·比斯瓦尔（Sibani Lisa Biswal）和马杜里·塔库尔（Madhuri Thakur）领导。

赖斯大学的研究人员Madhuri Thakur（左）和Sibani Lisa Biswal正在测试由经过处理的多孔硅制成的阳极，该阳极可以散布在集流体上，并且所含锂的量是当前锂离子电池中石墨阳极的10倍。坚固的阳极已经实现了600多次充放电循环。（图片来源：杰夫·菲特洛/莱斯大学）

新型锂离子硅电池负极的使用寿命比以前的设计更长。它通过600充放电循环以1000毫安小时/克的速度持续运行（这意味着它已被充电600次）。新闻稿指出：“这是对当前石墨阳极350 mAh / g容量的重大改进，”它“正处于下一代电池技术领域，竞争着降低成本和扩大电动汽车的范围。 ”

锂离子和铅酸电池寿命

值得注意的是，虽然典型的锂离子电池可以循环1200次，但实际上人们并没有从中获得太多循环。由于大多数设备的正常使用，人们通常不会使它们循环那么多次，而只有数百次。这是因为锂离子电池会在人们获得1200次循环之前自行降解并死亡。因此，600个循环并不像听起来那样糟糕。（作为比较，铅酸电池通常可以循环500-800次。）

此外，另一位研究人员的阳极“继续以C / 5速率循环（五小时充电和五小时放电），并有望在700多个循环中保持在1,000 mAh / g。”

要注意的另一个重要点是，电池的使用会极大地影响其使用寿命。锂离子电池的大量使用会缩短其寿命，甚至少于其自我降解所需的时间。

这就是为什么某些铅酸电池可以使用5年（用于UPS后备电池等备用电池时），而有些锂离子电池则可以使用3年的原因，尽管锂离子电池的使用寿命更长。

硅阳极电池

在最近的两节基于硅阳极的电池中：最早的使用了坚固的刚性硅阳极，该阳极迅速破裂。另一个是硅纳米线阳极，寿命更长，但仍然不可靠。

科学家一直追求（并成功改进）硅基锂离子电池的原因之一是因为它们具有巨大的潜力。它们可以实现1,000 kg / kg的能量密度，而典型电池可以达到95-180 Wh / kg。锂聚合物电池在电池市场上处于高端（且昂贵）端，它们的产量达到180 Wh / kg。

这意味着这些电池非常轻巧，比主流锂离子电池轻10倍。具体来说，这些大米电池的存储量不大，但仍比平均水平高（每克1,000 mAh，而每克350 mAh）。

这使电动汽车每次充电至少可以行驶数百英里（接近1,000英里），这甚至使特斯拉Roadster和Model S的续航里程和性能都蒙上了阴影。

为什么延迟使用基于硅阳极的电池

那么，如果硅阳极电池是如此之大，为什么要延迟使用它们呢？当然，赖斯在发布会上说“有问题”。完全锂化后，硅的体积增加了三倍以上。如果重复，这种膨胀和收缩会导致硅迅速分解。

因此，莱斯大学（Rice University）的更多内容是研究人员迄今为止如何解决这一问题，以及塔库尔（Thakur）和比斯瓦尔（Biswal）如何做事不同：

许多研究人员一直在研究使硅更适合电池使用的策略。赖斯（Rice）和其他地方的科学家创造了具有高表面体积比的纳米结构硅，这使硅能够适应更大的体积膨胀。主要作者Thakur和化学与生物分子工程与化学教授Michael Wong共同撰写了Biswal，他尝试了相反的方法。他们将孔隙蚀刻到硅片中，从而为材料扩展提供了空间。到今年早些时候，他们已经进步到制造出海绵状的硅膜，这显示出了更大的希望。

塔库尔说，但即使是那些电影也给制造商带来了问题。“它们不易处理，很难扩展。”但是通过将海绵碾碎成多孔颗粒，材料可以吸收更多的表面积来吸收锂离子。

Biswal拿着两个小瓶，一个装50毫克的碎硅，另一个装50毫克的多孔硅粉。它们之间的区别很明显。她说：“我们材料的表面积为每克46平方米。”压碎的硅为0.71平方米/克。因此，我们的粒子具有超过50倍的表面积，这使我们具有更大的锂化表面积，并具有足够的空隙空间来容纳膨胀。多孔硅粉与粘合剂，热解聚丙烯腈（PAN）混合，可提供导电和结构支撑。

Thakur说：“作为粉末，它们可用于工业上的大规模卷对卷加工。”“这种材料的合成非常简单，具有成本效益，并且在大量循环中具有很高的能量容量。”

Wong说：“这项工作表明，能够控制硅颗粒的内部孔隙和外部尺寸非常重要和有用。”

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Biswal说：“下一步将是测试这种多孔硅粉作为整个电池中的阳极。”“我们将氧化钴用作阴极的初步结果非常有希望，并且我们希望研究新的阴极材料。”

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