滑鐵盧大學的研究人員和通用汽車全球研發(fā)中心合作，研究了電池硅負極的熱處理技術(shù)，解決充放電時硅負極體積收縮膨脹率過大的問題。
滑鐵盧大學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)是一名滑鐵盧大學的化學工程師教授，也是整個項目的負責人，他帶領(lǐng)的一組研究生團隊所做的研究，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，因為石墨儲能量已經(jīng)到達上限，研究機構(gòu)開始轉(zhuǎn)向新負極材料的搜尋，其中一個嘗試就是采用硅作為電池負極。
在理論上，硅材料的比容量要遠大于石墨材料。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極活性材料為石墨，比容量約為360mAh/g?；F盧大學選擇使用的硅材料理論比容量達到了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，電池負極材料和電池的安全性也有很大的關(guān)聯(lián)，而硅負極材料的短板在于——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，并且最終導致電池停止工作。
滑鐵盧大學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)造了獨特結(jié)構(gòu)的硅負極，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，研究團隊希望在明年之前看到新電池進入市場。他帶領(lǐng)的團隊研究的主要項目包括用獨特的納米材料研發(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。
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