锂电池容量速度同升10倍 光伏离网电站福音

引入高密度平面纳米尺寸的碳空穴，石墨烯薄片就可以大大加快离子扩散，就在硅石墨烯复合薄片上。这种柔性、自我支撑的三维导电石墨烯结构，包含硅纳米粒子，表现出优良性能，可适应结构变形，代表着一种有吸引力的高功率高容量负极材料，可用于锂离子电池。来源：美国西北大学
美国西北大学（Northwestern University）的工程师声称，他们开发出的技术，可以改善充电电池。

这所大学在一份声明中说，研究小组已经创造了一种锂离子电池电极，使它们充电量比目前技术高10倍。

据报道，电池采用这种电极，充电速度也比目前的电池快10倍。

报道称，研究人员取得这项成果，是因为结合了两种化学工程方法。

“即使经过150次充电，就是使用一年或更多时间后，电池效率仍然比当今市场上的锂离子电池高五倍，”哈罗德•昆弓（Harold H. Kung）解释说，他是麦考密克工程和应用科学学院（McCormick School of Engineering and Applied Science）教授。

锂离子电池充电是依靠化学反应，其中，锂离子是在电池两端之间传送，也就是在阳极和阴极之间传送。

在目前的充电电池中，阳极的制备是采用多层碳基石墨烯薄片，每6个碳原子只能容纳一个锂原子。为了提高储能容量，科学家先前曾尝试用硅取代碳，因为硅能容纳更多的锂，每个硅原子容纳 4个锂原子。然而，在充电过程中，硅膨胀和收缩很剧烈，会导致破裂，迅速丧失充电容量。

目前，电池充电电流的速度局限于石墨烯薄片的形状；它们非常薄，但是，相对而言却很长。在充电过程中，锂离子必须很远地移动到石墨烯薄片的外缘，之后才能进入薄片之间，并停止移动。因为要经过这么长的距离，锂才可以移动到石墨烯薄片的中间，因此，在这种材料边缘，离子“塞车”就会四处出现。

昆弓的研究小组结合两种技术，以解决这两个问题。首先，为了稳定硅，保持最大充电容量，他们把成簇的硅夹在石墨烯薄片之间。这可以使更大数量的锂原子停留在电极上，同时，利用柔性石墨烯薄片，适应使用过程中硅的体积变化。

“现在，我们几乎两全其美了，”昆弓说。“我们有高得多的能量密度，这是因为硅，而夹层降低了硅膨胀和收缩造成的容量损失。即使硅簇破裂，这些硅也不会丧失。”

昆弓的小组也利用化学氧化过程，在石墨烯薄片上创造微孔（10至20纳米），被称为“平面缺陷”（in-plane defects），这样，锂离子就有一个“捷径”，可进入阳极，存储在那里，因为它可以与硅反应。

这项技术为更好的电池铺就了道路，可用于手机和iPod，也会有更高效、更小的电池，用于电动汽车。研究小组认为，在未来三到五年，这项技术可见于市场。

有一篇论文介绍这项研究，发表在《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）杂志上。

题目是《平面空穴制成高功率硅-石墨烯复合电极用于锂离子电池》（In-Plane Vacancy-Enabled High-Power Si-Graphene Composite Electrode for Lithium-Ion Batteries）。