锂离子电池是各种设备的核心, 包括智能手机, 笔记本电脑及日益增加的电动汽车等. 所以很多研究人员都有兴趣使用先进的材料提高锂离子电池的表现, 使它们更轻, 更紧凑, 能够储存更多的能量. 得克萨斯州工程师开发的一种新的锡铝合金可能会在三个方面发挥作用, 甚至同时可能使其生产更快, 生产成本更低.
多年来, 大规模生产的锂离子电池依靠石墨和铜作为其阳极. 多年来, 研究人员一直在寻找可以克服这些材料的限制的替代材料, 其中包括高成本的生产和有限的存储容量 (例如, 硅可以存储10倍的能量, 尽管它构成了另一系列问题) .
创建现今的阳极是一个费力的多步骤过程, 其中石墨被涂覆铜箔上. 然而, 正如德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学家兼新研究主要作者Karl Kreder所解释的, 就制造工艺和电池本身而言, 这样做会导致效率低下.
Kreder表示: '所以活性材料 (石墨) 涂在惰性集电器 (铜) 的顶部. 这增加了系统的体积和非活性材料质量, 通过将集电器和活性材料结合在一起, 可以使用更高容量的活性材料, 同时使用更少的非活性电流收集材料. '
Kreder和他的团队通过简化的制造方法实现了这一点, 该方法省去了繁琐的涂覆工艺. 当锡被铸造成块时, 锡能够直接加入到铝中, 从而形成合金, 然后可以机械地轧制 (相对便宜和普通的冶金合金化工艺) 成纳米结构的金属箔. 最后一步, 材料中的颗粒减少, 这是至关重要的.
Kreder解释说: '锡可以与锂形成合金. 不幸的是, 如果使用锡箔或者甚至使用微米大小的锡颗粒, 锡在与锂形成合金时由于体积膨胀而循环时会断裂, 这意味着如果用大的锡颗粒制造电池, 仅能维持数十次的充放电循环, 但如果制造纳米级的锡颗粒, 合金化过程中颗粒不会分裂. '
研究人员将所得到的材料称为交叉共晶合金 (IdEA) 阳极, 他们认为其厚度仅是传统阳极材料的四分之一, 而重量仅有传统材料的一半. 他们在小型锂离子电池中对这种阳极材料进行测试, 然后对其进行充电和放电以测量性能. 他们发现, 这种阳极的电量储存能力是传统铜-石墨阳极的两倍.
克雷德说: '这样做的原因很好, 其中一个元素是活性的, 锡, 另一个是惰性的, 铝. '铝制造了一个导电的基体, 在这个基体中锡保持着, 铝提供了结构和导电性, 而锡在电池循环时与锂合金化和去合金化.
该团队的负责人之一, 德克萨斯州材料研究所所长Arumugam Manthiram表示: '能够开发出一种便宜, , 可扩展的电极纳米材料制造工艺, 实在令人振奋. 我们的研究结果表明, 这种材料在锂离子电池商业化进展所需的性能指标方面取得了成功. '
该研究成果发表在《ACS Energy Letters》杂志上.
