美国利用磷制新阳极 可将锂离子电池容量提高至少9倍

美国阿贡国家实验室研究人员自主研发了阳极复合材料。该材料主要由黑磷和导电碳化合物组成,其中黑磷是一种理论上容量很高的导体。研究人员表示,磷的能量容量很高,库伦效率也很高,超过90%,这意味着阳极材料和电解质之间几乎不会发生副反应,在电池初始充放电循环中锂的损失并不多。在证明了黑磷复合材料具有稳定性后,该团队正在研究主要由红磷制成的复合材料,而且该材料也显示出很有发展前景的结果。

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在一项新的研究中,由美国能源部(DOE)的阿贡国家实验室的研究人员领导的一个团队证明了潜在的新型高容量阳极材料的能力得到了提高。这种复合材料最初是为钠离子电池开发的,与锂离子电池相比钠离子电池在商业上很少使用。这项新研究试图将这种材料应用于锂离子电池。

目前用于下一代电池阳极材料研究的最前沿的两种材料是硅和磷。硅和磷的理论能量容量至少是石墨的10倍,这意味着它们可以超过锂离子电池的能量容量要求。

根据高级材料科学家和Argonne研究的首席研究员Argonne杰出研究员Khalil Amine所说,硅有两个主要问题。第一个问题涉及在充电过程中对硅进行锂化时的大体积膨胀,这很可能导致阳极材料破裂。他解释说,开裂会导致能量容量的损失。

第二个问题涉及一个称为初始库仑效率(ICE)的术语。当电池经过一个完整的充放电循环时,理论上电池的电荷输出应与电荷输入匹配。但是,电荷输出中的一些能量会因与阳极材料反应的锂而损失。为了开发实用的锂离子电池,在第一个充放电循环中,电荷输出与电荷输入的比率应大于90%。这个比率就是ICE。对于硅,ICE含量不到80%,Amine解释说,使其在实际应用中不可行。

在他们的研究中,阿贡化学家探索了两种潜在的磷类型:黑磷和红磷。磷具有非常高的能量容量,当研究人员探索材料时发现该研究的负极材料具有很高的ICE超过90%。

大于90%的ICE表明,负极材料与电解质之间几乎没有发生副反应,因此在初始充电和放电过程中不会损失太多锂。

该团队创建新型阳极复合材料,该复合材料主要由黑磷(一种具有高理论容量的高导电形式的磷)和导电碳化合物组成。

为了制造这种复合材料,研究人员将大量的磷材料和导电碳研磨成微米级的颗粒,从而增加了阳极密度。

研究人员说:“阿贡拥有APS和CNM的独特能力。”“随着储存环光源,我们就可以探测锂化和脱锂化时的相变,这使我们能够看到的反应可逆性。”

在证明了黑色磷复合材料的稳定性后,研究小组研究了用红磷代替黑磷的复合材料。黑磷虽然比红磷具有更大的导电性,但对于市场上的实际使用而言太昂贵了。使用经济上可行的红磷复合材料,该电池显示出相似的稳定性和高ICE,并具有很高的实用容量。

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研究小组目前正在研究一种主要由红磷制成的复合材料,该材料显示出令人惊喜的结果。研究团队正在尝试与业界伙伴合作,以便能够扩大使用这种材料,在将来实现商业化。

有关研究的研究论文, “A practical phosphorus-based anode material for high-energy lithium-ion batteries料,” 发表在在Nano Energy上。该研究项目由美国能源部汽车能效和可再生能源办公室电池技术研究室的电池材料研究计划资助。

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