美国利用磷制新阳极 可将锂离子电池容量提高至少9倍

据外媒报道，美国阿贡国家实验室的科学家在大容量锂离子电池的研发方面取得了新进展，可以满足日益增长的电池消费需求。

随着越来越多的电动汽车上路，人们越来越依赖消费电子产品，开发高容量或能够储存大量电力的锂离子电池的需求也在上升。增加锂离子电池总容量的一种方法是增加阳极或负极的能量容量。在过去的几十年里，最先进的锂离子电池都是由石墨阳极制成的。石墨的能量容量是固定的，这意味着它的容量不会衰减，这种材料即使在1000次充放电循环后也不会破裂。然而，石墨的理论能量容量相对较低，无法满足当今社会日益增长的能源需求。在一项新的研究中，由美国能源部阿贡国家实验室的研究人员领导的一个研究小组展示了一种更高容量的阳极材料。这种复合材料最初是为钠离子电池开发的，商业钠离子电池的使用频率低于锂离子电池。因此，这项研究试图将这种材料应用于锂离子电池。最近，有两种材料已经进入了下一代电池阳极研究的前沿——硅和磷。理论上，硅和磷的能量容量至少是石墨的10倍，可以超过锂离子电池的能量容量要求。阿贡国家实验室杰出研究员兼高级材料科学家Khalil Amine表示，硅存在两个问题。一种是在充电过程中，硅在锂化过程中广泛膨胀，这可能导致阳极材料断裂，导致电池能量容量损失。第二个问题与初始库仑效率有关。在完成一个完整的充放电循环后，理论上电池的电荷输出应与电荷输入一致。然而，由于锂和阳极材料之间的反应，电荷输出中的一些能量将损失。为了开发实用的锂离子电池，在第一次充放电循环中，电池的输出电荷与输入电荷的比率应在90%以上，这意味着库仑效率应达到90%。然而，硅阳极锂离子电池的库仑效率低于80%，使其不切实际。因此，阿贡国家实验室的研究人员研究了两种磷：黑磷和红磷。研究人员表示，“磷具有高能量容量和超过90%的高库仑效率。”高于90%的库仑效率意味着阳极材料和电解质之间几乎没有副反应，并且在电池的初始充放电循环中锂不会损失太多。因此，该团队独立开发了阳极复合材料，主要由黑磷和导电碳化合物组成，其中黑磷是理论上的高容量导体。为了制造这种复合材料，研究人员还将大块的磷和导电碳研磨成微米大小的颗粒，以增加阳极的密度。在测量电池的生命周期，即可以充电和放电的次数时，研究人员使用了阿贡国家实验室先进光子源和纳米材料中心，这两个中心都隶属于能源部科学用户设施办公室。利用APS现场存储环光源X射线衍射和CNM现场扫描电子显微镜，该团队可以观察电池在重复充电和放电过程中阳极相和体积的变化。在证明了黑磷复合材料的稳定性后，该团队开发了由红磷制成的复合材料。尽管黑磷比红磷具有更好的导电性，但它对于市场应用来说过于昂贵。在使用经济的红磷复合材料后，该电池的稳定性与使用黑磷的电池相似，并且它还具有高库仑效率和高实际容量。目前，该团队正在研究主要由红磷制成的复合材料，该材料已显示出有希望的结果。

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