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铝“蛋黄壳”(Yolk-and-Shell)纳米粒子提高锂离子电池的容量和功率

时间:2018-05-16  点击: 2

em中国麻省理工学院和清华大学的新研究表明,铝“蛋黄壳”纳米颗粒可以提高锂离子电池的容量和功率。 / em

可再充电电池中的电极面临的一个大问题是,它们经历重复的充电和放电循环,因为它们在每个循环过程中都必须膨胀和收缩 - 有时体积增加一倍,然后缩回。这会导致不可逆地消耗锂的“皮肤”层的反复脱落和重新形成,随着时间的过去而降低电池的性能。

现在麻省理工学院和中国清华大学的一个研究小组已经找到了一个解决这个问题的新方法:制造一个由纳米颗粒制成的带有固体外壳的电极,以及一个可以一次又一次改变大小而不影响外壳的“蛋黄”。这个创新可以大大改善循环寿命,该团队说,并且在电池的容量和功率方面提供了戏剧性的提升。

“自然通讯”杂志在麻省理工学院教授Ju Li和另外6人的一篇论文中报告了使用铝作为锂离子电池负极或阳极的关键材料的新发现。该研究小组报告称,使用含有铝黄和纳米二氧化钛的纳米粒子被证明是“高容量阳极中的高速率冠军”。

目前大多数锂离子电池是使用最广泛的可充电电池形式,它使用由碳形式的石墨制成的阳极。石墨具有每克(Ah / g)0.35安培小时的电荷存储容量;多年来,研究人员已经探索了其他可以为特定重量提供更大能量储存的方案。例如,锂金属可以存储每克大约10倍的能量,但是非常危险,能够短路甚至着火。硅和锡具有非常高的容量,但在高充电和放电速率下容量下降。

铝是一种理论容量为2 Ah / g的低成本选项。不过,铝和其他高容量材料,李说,“当他们吸收锂时,达到高容量时扩大很多。然后在释放锂时它们会缩小。“

铝颗粒的这种膨胀和收缩会产生很大的机械应力,这会导致电触点断开。此外,与铝接触的液体电解质将始终在所需的充电/放电电压下分解,形成称为固体电解质界面(SEI)层的皮肤,如果不是由于反复的大体积膨胀和收缩导致SEI颗粒脱落。结果,以前尝试开发用于锂离子电池的铝电极失败了。

这就是使用以蛋黄壳纳米粒子的形式使用密闭铝的想法。在纳米技术领域,所谓的“核壳”和“蛋黄壳”纳米粒子之间存在很大差异。前者具有直接与核心结合的壳,但蛋黄壳颗粒在两者之间具有空隙 - 相当于鸡蛋的白色所在。因此,“蛋黄”材料可以自由膨胀和收缩,对“壳”的尺寸和稳定性几乎没有影响。

“我们制造了一个氧化钛外壳,”Li说,“它可以将电池两个电极之间的铝与液体电解质隔开。”他说,外壳不会膨胀或收缩很多,因此外壳上的SEI涂层非常稳定,不会脱落,并且内部的铝可以避免与电解液直接接触。

该团队原本不是这样计划的,Battelle能源联盟核能科学与工程学教授Li说,他在麻省理工学院材料科学与工程系任职。

“我们偶然提出了这个方法,这是一个偶然的发现,”他说。他们使用的直径约50纳米的铝颗粒自然具有氧化铝(Al2O3)的氧化层。 “我们需要摆脱它,因为它对导电性不好,”李说。

他们最终将氧化铝层转化为二氧化钛(TiO2),当它非常薄时,它是更好的电子导体和锂离子。将铝粉置于用硫酸氧钛饱和的硫酸中。当氧化铝与硫酸反应时,过量的水被释放出来,与硫酸氧钛反应形成厚度为3至4纳米的氢氧化钛固体壳。令人惊讶的是,虽然这种固体壳几乎是瞬间形成的,但如果颗粒在酸中停留几个小时,铝芯不断收缩变成横跨30-nm的“蛋黄”,这表明小离子可以穿过壳。

然后处理颗粒以获得最终的铝 - 二氧化钛(ATO)蛋黄壳颗粒。在经过500次充放电循环测试后,二氧化钛外壳变得稍厚一点,但是电极内部保持清洁,没有积聚SEI,证明外壳完全包围铝,同时允许锂离子和电子到达进出。 Li说,结果是在正常充电速率下,电极的石墨容量提高了三倍以上(1.2 Ah / g)。在非常快的充电速率下(充满电需要6分钟),500次循环后容量仍然为0.66 Ah / g。

这些材料价格低廉,制造方法简单易行,Li说。对于需要高功率和高能量密度电池的应用,他表示:“这可能是最好的阳极材料。”使用磷酸铁锂作为阴极的全电池测试已经取得成功,这表明ATO已经接近为实际做好准备了应用。

新加坡南洋理工大学化学与生物分子工程副教授David Lou说:“这些蛋黄壳颗粒在实验室测试中表现出非常出色的表现。”他并没有参与这项工作。 “对我而言,这项工作最具吸引力的一点是这个过程看起来简单而且可扩展。”

Lou补充说,在电池领域有很多工作要使用“复杂的综合设备”,但这样的系统“不太可能对真正的电池产生影响。 ...简单的事情会在电池领域产生真正的影响。“

研究团队包括北京清华大学的萨莉,于成成,长安王和牛俊杰,Kangpyo So和麻省理工学院的王超。这项工作得到了国家自然科学基金和国家自然科学基金的支持。

出版物:Sa Li等人,“用于具有长循环寿命和超高容量的锂离子电池的高速率铝 - 蛋黄 - 壳纳米粒子阳极”,Nature Communications 6,文章编号:7872; DOI:10.1038 / ncomms8872

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler

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