美國利用磷制新陽極 可將鋰離子電池容量提高至少9倍
時間:2020-08-24 23:19來源:蓋世汽車 作者:余秋云
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（圖片來源：阿貢國家實驗室）
隨著路上的電動汽車越來越多，人們對消費電子產品依賴性日益增強，研發高容量，或者能夠存儲大量電量的鋰離子電池的需求也隨之高漲。
增加鋰離子電池總容量的其中一種方法是增加陽極或負極的能量容量。在過去幾十年中，最先進的鋰離子電池都由石墨陽極制成，石墨的能量容量是固定的，意味著其容量不會衰減，而且此種材料不會開裂，即使電池經過了1000次的充放電循環。不過，石墨的理論能量容量較低，無法滿足當今社會日益增長的能源需求。
在一項新研究中，由美國能源部阿貢國家實驗室研究人員領導的一支研究團隊展示了一種容量更高的陽極材料。該復合材料最初為鈉離子電池研發，而商用鈉離子電池比鋰離子電池的使用次數更少。于是，該項研究就試圖將此種材料應用到鋰離子電池中。
最近，有兩種材料站到了下一代電池陽極研究的前沿——硅和磷。理論上，硅和磷的能量容量至少是石墨的10倍，即可以超過鋰離子電池的能量容量要求。根據阿貢國家實驗室杰出研究員兼高級材料科學家Khalil Amine所說，硅有兩個問題，其一是充電過程中，硅在鋰化時會大面積膨脹，可能會導致此種陽極材料斷裂，從而導致電池能量容量損失。
第二個問題與初始庫倫效率（ICE）有關。當電池完成一個完整的充放電循環后，從理論上看，電池電荷輸出應該與電荷輸入一致。但是，由于鋰與陽極材料發生反應，電荷輸出中的一些能量會損失掉。為了研發實用性鋰離子電池，在首次充放電循環時，電池輸出電荷與輸入電荷的比率應該在90%以上，即庫倫效率要達90%。但是，硅陽極鋰離子電池的庫倫效率低于80%，導致此種電池不實用。
于是，阿貢國家實驗室的研究人員研究了兩種磷：黑磷和紅磷。研究人員表示：“磷的能量容量很高，庫倫效率也很高，超過90%。”庫倫效率高于90%意味著陽極材料和電解質之間幾乎沒有發生副反應，在電池初始充放電循環中鋰的損失并不多。
因此，該團隊自主研發了陽極復合材料，主要由黑磷和導電碳化合物組成，其中黑磷是一種理論上容量很高的導體。為了打造該復合材料，研究人員還將大塊的磷與導電碳研磨成微米大小的顆粒，以增加陽極的密度。
當測量電池的壽命周期，即可以充放電多少次時，研究人員采用了阿貢國家實驗室先進光子源（APS）和納米材料中心（CNM），這兩個都是能源部科學用戶設施辦公室下屬機構。采用APS現場存儲環光源X射線衍射以及CNM的現場掃描電子顯微鏡，該團隊可以觀察到電池反復充放電時，陽極相位和體積的變化情況。
在證明了黑磷復合材料具有穩定性后，該團隊研發了由紅磷制成的復合材料。盡管黑磷的導電性比紅磷好，但是在用于市場應用時太昂貴。在采用了經濟實惠的紅磷復合材料后，該電池的穩定性與采用黑磷的電池類似，而且還具有很高的庫倫效率以及很高的實際容量。
目前，該團隊正在研究主要由紅磷制成的復合材料，而且該材料也顯示出很有發展前景的結果。
(責任編輯：子蕊)
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