鋰離子電池是各種設備的核心, 包括智能手機, 筆記型電腦及日益增加的電動汽車等. 所以很多研究人員都有興趣使用先進的材料提高鋰離子電池的表現, 使它們更輕, 更緊湊, 能夠儲存更多的能量. 德克薩斯州工程師開發的一種新的錫鋁合金可能會在三個方面發揮作用, 甚至同時可能使其生產更快, 生產成本更低.
多年來, 大規模生產的鋰離子電池依靠石墨和銅作為其陽極. 多年來, 研究人員一直在尋找可以克服這些材料的限制的替代材料, 其中包括高成本的生產和有限的存儲容量 (例如, 矽可以存儲10倍的能量, 儘管它構成了另一系列問題) .
建立現今的陽極是一個費力的多步驟過程, 其中石墨被塗覆銅箔上. 然而, 正如德克薩斯大學奧斯汀分校材料科學家兼新研究主要作者Karl Kreder所解釋的, 就製造工藝和電池本身而言, 這樣做會導致效率低下.
Kreder表示: '所以活性材料 (石墨) 塗在惰性集電器 (銅) 的頂部. 這增加了系統的體積和非活性材料質量, 通過將集電器和活性材料結合在一起, 可以使用更高容量的活性材料, 同時使用更少的非活性電流收集材料. '
Kreder和他的團隊通過簡化的製造方法實現了這一點, 該方法省去了繁瑣的塗覆工藝. 當錫被鑄造成塊時, 錫能夠直接加入到鋁中, 從而形成合金, 然後可以機械地軋制 (相對便宜和普通的冶金合金化工藝) 成納米結構的金屬箔. 最後一步, 材料中的顆粒減少, 這是至關重要的.
Kreder解釋說: '錫可以與鋰形成合金. 不幸的是, 如果使用錫箔或者甚至使用微米大小的錫顆粒, 錫在與鋰形成合金時由於體積膨脹而迴圈時會斷裂, 這意味著如果用大的錫顆粒製造電池, 僅能維持數十次的充放電迴圈, 但如果製造納米級的錫顆粒, 合金化過程中顆粒不會分裂. '
研究人員將所得到的材料稱為交叉共晶合金 (IdEA) 陽極, 他們認為其厚度僅是傳統陽極材料的四分之一, 而重量僅有傳統材料的一半. 他們在小型鋰離子電池中對這種陽極材料進行測試, 然後對其進行充電和放電以測量性能. 他們發現, 這種陽極的電量儲存能力是傳統銅-石墨陽極的兩倍.
克雷德說: '這樣做的原因很好, 其中一個元素是活性的, 錫, 另一個是惰性的, 鋁. '鋁製造了一個導電的基體, 在這個基體中錫保持著, 鋁提供了結構和導電性, 而錫在電池迴圈時與鋰合金化和去合金化.
該團隊的負責人之一, 德克薩斯州材料研究所所長Arumugam Manthiram表示: '能夠開發出一種便宜, , 可擴展的電極納米材料製造工藝, 實在令人振奮. 我們的研究結果表明, 這種材料在鋰離子電池商業化進展所需的性能指標方面取得了成功. '
該研究成果發表在《ACS Energy Letters》雜誌上.
