硅是在大幅提升锂离子电池表现中极具前景的负极材料,理论上可增加电池容量至少 10 倍,只是科学家一路走来还没完全克服负极硅的最大限制,即充放电时,硅的体积变化率过大而易破裂。最近,来自挪威能源技术研究所的科学家开发出称为 SiliconX 的全新材料,声称可以克服这项问题。
传统石墨负极电池的理论最高容量只有 372mAh/g,而如果完全以硅做为负极材料,理论上电容量将比石墨负极高 10 倍,也因此硅碳材料已然成为锂电池负极研发重点。
只不过目前技术仍做不到 100% 硅负极,因为随着电池充电,硅颗粒膨胀率多达 400%,放电又恢复正常,所以通常充一次电就会导致硅破裂成粉末,想以硅做为负极又要提高效能,最多只能用 10% 硅。由于突破点困难,时至今日,锂电池负极材料仍以石墨为主。
多年来科学家也一直在努力研究,如何让相对脆弱的硅做为锂离子电池负极时保持稳定,一些有趣方法比如“石墨烯奈米墙”。我们已经知道石墨烯是目前世上最薄却也最坚硬的神奇奈米材料,导电率还超高,科学家在硅颗粒上生长石墨烯层,于电子显微镜分析下发现石墨烯就像一道无坚不摧的墙,如此一来保护了硅过度与电解液反应,二来还可以当作硅膨胀缓冲层,避免电池一充电,硅颗粒就爆走。
也有寻求结合硅与其他材料的方法,诀窍在于找到硅与石墨(或其他材料)正确混和比例及结构,比如最近挪威能源技术研究所(Institute for Energy Technology,IFE)团队带来的研究成果。
该团队开发出专利硅合金,用特有方式结合硅奈米粒子与一种未命名材料,能承受硅颗粒在充放电时较大的体积变化,虽然电容量提升程度没办法媲美 100% 硅负极,但与今日电池相比,还是至少多了 3~5 倍,且充放电周期稳定性也远高于快速降解的纯硅负极。
▲ 纯硅负极(黑线)与硅合金负极(蓝线)容量变化稳定性比较图。(Source:挪威能源技术研究所)
如果团队可以在实验室外重现这些成果,代表有朝一日,我们的智能手机每周只要充两次电,而电动车充一次电可以驾驶超过 1000 公里──让人期待的“如果”。
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(首图来源:挪威能源技术研究所)
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