科學(xué)家用“硅”做電池負(fù)極 電動車?yán)m(xù)航增長10倍

滑鐵盧大學(xué)的研究人員和通用汽車全球研發(fā)中心合作，研究了電池硅負(fù)極的熱處理技術(shù)，解決充放電時硅負(fù)極體積收縮膨脹率過大的問題。

滑鐵盧大學(xué)的研究人員研究出了新一代電池技術(shù)，可以生產(chǎn)出穩(wěn)定的小體積，長續(xù)航電池，除了方便小型可穿戴設(shè)備安裝，也能用于電動汽車。陳忠偉(音)是一名滑鐵盧大學(xué)的化學(xué)工程師教授，也是整個項目的負(fù)責(zé)人，他帶領(lǐng)的一組研究生團(tuán)隊所做的研究，據(jù)說可以大大提升電池的性能表現(xiàn)和使用壽命，遠(yuǎn)超市面上的鋰離子電池。這一研究成果已經(jīng)被刊登在《自然通訊》雜志上。

陳忠偉(左二)和團(tuán)隊成員

研究人員如何做到減小電池體積的情況下，還能保證長續(xù)航?答案是，他們使用了硅作為電池的負(fù)極材料并解決了材料弊端。

眾所周知，石墨已經(jīng)被長期使用在鋰離子電池中作為負(fù)極材料。但是隨著電池技術(shù)的提升，材料本身已經(jīng)漸漸變成了電池性能發(fā)展的瓶頸，因?yàn)槭珒δ芰恳呀?jīng)到達(dá)上限，研究機(jī)構(gòu)開始轉(zhuǎn)向新負(fù)極材料的搜尋，其中一個嘗試就是采用硅作為電池負(fù)極。

在理論上，硅材料的比容量要遠(yuǎn)大于石墨材料。比容量數(shù)值的高低直接體現(xiàn)了單位重量電池所能放出的電量。目前商業(yè)化鋰離子電池廣泛使用的負(fù)極活性材料為石墨，比容量約為360mAh/g。滑鐵盧大學(xué)選擇使用的硅材料理論比容量達(dá)到了4200mAh/g，是石墨的10倍以上。陳忠偉表示，這意味著一輛電動車的單次充電續(xù)航可達(dá)500公里，并且比現(xiàn)在的電動車電池更小更輕，可以為車身減重。

但是將硅作為電池負(fù)極材料的嘗試并不在少數(shù)，至今未能廣泛應(yīng)用的原因在于一些技術(shù)難關(guān)。我們知道，電池負(fù)極材料和電池的安全性也有很大的關(guān)聯(lián)，而硅負(fù)極材料的短板在于——安全性較差，充放電的體積變化極大。每一次充放，硅材料體積收縮膨脹率高達(dá)300%。每一次體積的增大和減小都會形成裂紋，降低電池的表現(xiàn)性能，造成短路，并且最終導(dǎo)致電池停止工作。

滑鐵盧大學(xué)研究人員在使用硅材料研發(fā)電池的過程中要集中解決的也是這個問題。陳教授的的團(tuán)隊和通用汽車全球研發(fā)中心合作研發(fā)了硅材料電極的熱處理技術(shù)，可以把充電過程中的體積膨脹減小到最低，從而提高電池的表現(xiàn)和鋰離子電池循環(huán)充放電的過程。這種熱處理技術(shù)創(chuàng)造了獨(dú)特結(jié)構(gòu)的硅負(fù)極，隨著電池能量容量的提升，可以把充放電循環(huán)增加到2000次。

硅負(fù)極電池是陳教授的一個研究課題，他表示這項電池技術(shù)具備了商業(yè)量產(chǎn)的可能，研究團(tuán)隊希望在明年之前看到新電池進(jìn)入市場。他帶領(lǐng)的團(tuán)隊研究的主要項目包括用獨(dú)特的納米材料研發(fā)新一代清潔、可持續(xù)能源技術(shù)。此外他們還關(guān)注包括金屬空氣電池、鋰硫電池和各種類型的液流電池。