硅 – 金属复合材料的发展为高容量的锂离子可充电电池

一个研究小组在技术,美国乔治亚理工学院直树Fukata,在日本国际交流中心材料Nanoarchitectonics(MANA),国家材料科学研究所(NIMS),纳米半导体材料集团的领导者,一个研究小组的带领下,通过形成于金属基板由硅(Si)的纳米颗粒 – 金属复合材料的联合开发为锂(Li) – 离子可充电电池的阳极材料。所得的阳极材料具有高的能力几乎两倍高常规材料和长的循环寿命。这些结果将导致更高的容量,更长寿命的负极材料的锂离子充电电池的开发。

目前,基于碳的材料被用作阳极为锂离子可充电电池,其容量是高达370毫安/克 从理论上讲,它们的能力可以提高10倍以上4200毫安/克,提供纯硅被用作阳极材料。然而,纯硅是高度可扩展的,三 至四次(体积),其中锂离子被结合到它的过程中。由于这种特性,纯硅负极材料是容易产生裂纹作为大量的应力在反复充放电循环被适用于他们,因此批量使用纯硅作为阳极材料严重缩短电池的循 环寿命。因此,纯硅没有被使用,直到最近。
联合研究小组形成在金属基材的一维锗(Ge)纳米线和使用该纳米线作为基材层,然后在纳米结构的Si-金属复合材料。所形成的纳米结构化材料的特征在于现有的约几十纳米内聚集的纳米粒子到几百纳米众多空腔。也有一些在Si-金属复合材料和Ge的纳米结构(图1)之间存在较大的空腔。另一个特征是,该材料不仅包括纯硅而且金属原子(主要是铁),其自发地从衬底经由底层锗纳米结构提供和掺入到生长Si材料,形成硅 – 金属复合材料。
根据对制成样品的充放电特性的评价,研究组证实,新阳极材料的容量为当前的阳极材料的大约两倍的容量,并且其循环寿命也延长比常规材料。
新材料能够提高锂离子二次电池阳极的两个容量和寿命。该研究小组通过创建在所述材料内部的空腔,它作为缓冲空间,以吸收由纯硅的膨胀产生的应力达到这些功能,并且通过调节Si和金属元素中的Si类纳米结构体的组合物。

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