手機(jī)電池帶電超過一周，每次充電只需15分鐘。美國西北大學(xué)的研究人員讓我們離這個(gè)夢想又進(jìn)了一步。該校的工程師研制出一種針對鋰離子電池的電極，允許電池保有比現(xiàn)有技術(shù)高10倍的電量，更可使帶有新電極的電池充電率提升10倍。相關(guān)研究報(bào)告發(fā)表在近期出版的《先進(jìn)能源材料》雜志上。
儲電量和充電率是兩個(gè)主要的電池局限。儲電量受限于電荷密度，即電池的兩極能容納多少鋰離子。充電率則受限于鋰離子從電解液到達(dá)負(fù)極的速度。
現(xiàn)有鋰電池的負(fù)極由碳基的石墨烯片層層堆積而成，一個(gè)鋰原子只能適配6個(gè)碳原子。為了增加儲電量，科學(xué)家曾嘗試?yán)霉璐嫣?，以使硅可以適配更多鋰，達(dá)到4個(gè)鋰原子對應(yīng)1個(gè)硅原子。然而，硅會在充電過程中顯著擴(kuò)展和縮小，從而引起充電容量的快速破裂和遺失。而石墨烯片的形狀也會制約電池的充電率，它們雖只有一個(gè)碳原子厚，但卻很長。由于鋰移動(dòng)到石墨烯片中間需要耗費(fèi)很長時(shí)間，離子“交通堵塞”的情況在石墨烯片的邊緣時(shí)有發(fā)生。
現(xiàn)在，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合兩種技術(shù)解決了上述問題。首先為了穩(wěn)定硅以保持最大的充電容量，他們在石墨烯片之間加入硅簇，利用石墨烯片的彈性配合電池使用中硅原子數(shù)量的變化，使得大量鋰原子存儲于電極中。硅簇的添加可使能量密度更高，同時(shí)也能降低因硅擴(kuò)展和縮小引發(fā)的充電容量損失，可謂兩全其美。
研究小組還利用化學(xué)氧化過程在石墨烯片上制造了10納米至20納米微孔，稱之為“面缺陷”，因此鋰離子將會沿此捷徑到達(dá)負(fù)極，并通過與硅發(fā)生反應(yīng)，存儲在負(fù)極。這將使電池的充電時(shí)間縮短10倍。
論文主要作者哈羅德·H·孔（音譯）表示，新技術(shù)能使鋰離子電池的充電壽命延長10倍，即使在充電150次后，電池能效仍是現(xiàn)有鋰離子電池的5倍。這一技術(shù)有望在未來3至5年內(nèi)進(jìn)入市場。
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