美國(guó)研發(fā)適用于大容量高功率鋰離子電池的新型納米材料

美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院研究人員研制出一種被稱(chēng)為“納米勺（nanoscoop）”的新型納米材料，用其制成的新一代高功率鋰離子電池充電速度比現(xiàn)有電池快40倍以上，可滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的電力需求。該材料具有獨(dú)特的材料成分、結(jié)構(gòu)與大小，可承受目前鋰離子電池?zé)o法實(shí)現(xiàn)的超高速充放電。

研究證明，與傳統(tǒng)電池陽(yáng)極相比，該電池除了能量密度不相上下之外，其電極充放電速度比前者快40～60倍，其卓越的性能有助于設(shè)計(jì)和制造出大容量高功率鋰離子充電電池。

研究人員表示，全電動(dòng)汽車(chē)的電池需同時(shí)具備高能量密度與高功率密度。眾所周知，鋰離子電池具有高能量密度、低功率密度的特點(diǎn)，現(xiàn)有電動(dòng)汽車(chē)采用高功率密度的超級(jí)電容器實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、快速加速等功能，傳統(tǒng)高能量密度電池適用于巡航駕駛及其他操作。該新技術(shù)可將鋰離子電池與超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)整合到單個(gè)電池系統(tǒng)中。

鋰離子電池陽(yáng)極會(huì)隨著電池充放電而膨脹和收縮。在充電時(shí)，鋰離子的增加使陽(yáng)極體積變大；在放電時(shí)情況相反。由此導(dǎo)致陽(yáng)極內(nèi)應(yīng)力積聚，在電池高速充放電的情況下，如果應(yīng)力積聚過(guò)快，會(huì)引起電池過(guò)早失效，因此目前大部分電子設(shè)備的電池充電速度較慢，低速充電模式也是專(zhuān)為保護(hù)電池不受應(yīng)力損害而設(shè)計(jì)的。

該新型陽(yáng)極材料由納米結(jié)構(gòu)陣列構(gòu)成，每個(gè)納米結(jié)構(gòu)底部為非晶態(tài)碳納米棒，中間是鋁過(guò)渡層，并采用納米硅作為蓋頂。這樣的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使體積變化特性各有不同，因此所受應(yīng)力自下而上呈遞增趨勢(shì)。該結(jié)構(gòu)能快速吸收和釋放鋰離子，比現(xiàn)有鋰離子電池實(shí)現(xiàn)更高的效率，同時(shí)不會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生持續(xù)性損害，在高速充放電的情況下也能實(shí)現(xiàn)電極穩(wěn)定運(yùn)行。該自然應(yīng)力遞變有利于材料界面避免出現(xiàn)應(yīng)力驟變，從而提高電極結(jié)構(gòu)的完整度。

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流密度增至51.2 A/g（即充放電率達(dá)40C）時(shí)，在充放電循環(huán)超過(guò)100次后該電池陽(yáng)極平均容量為412 mAh/g，輸出功率達(dá)100 kW/kg。當(dāng)電流密度為128 A/g時(shí)，在循環(huán)超過(guò)100次后其平均容量為90 mAh/g，而功率密度高達(dá)250 kW/kg。研究人員認(rèn)為，在鋁和硅中間添加銻（Sb）、砷（As）之類(lèi)的材料有助于完善應(yīng)力梯度，能在提高電極性能的同時(shí)增大其質(zhì)量密度。

該技術(shù)有利于解決汽車(chē)制造商在增加電池功率密度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高能量密度的難題，將為大容量高功率鋰離子充電電池設(shè)計(jì)賦予巨大潛力。