鋰離子電池是移動(dòng)電話，平板電腦和電動(dòng)汽車的終極基準(zhǔn)。它們的存儲(chǔ)容量和功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他可充電電池系統(tǒng)。盡管取得了所有進(jìn)展，但智能手機(jī)電池僅持續(xù)一天，電動(dòng)汽車需要數(shù)小時(shí)才能充電。因此，科學(xué)家正致力于提高全能電池的功率密度和充電率。“一個(gè)重要因素是陽(yáng)極材料，”能源與氣候研究所(IEK-1)的DinaFattakhova-Rohlfing解釋道。

“原則上，基于二氧化錫的陽(yáng)極可以實(shí)現(xiàn)更高的比容量，因此比目前使用的碳陽(yáng)極儲(chǔ)存更多的能量。它們能夠吸收更多的鋰離子，”Fattakhova-Rohlfing說。“然而，純氧化錫表現(xiàn)出非常弱的循環(huán)穩(wěn)定性-電池的儲(chǔ)存能力穩(wěn)定下降，并且它們只能再充電幾次。陽(yáng)極的體積隨著每次充電和放電循環(huán)而變化，這導(dǎo)致它破碎“。

解決該問題的一種方法是混合材料或納米復(fù)合材料-包含納米顆粒的復(fù)合材料。科學(xué)家在石墨烯的基層上開發(fā)了一種包含富含銻的氧化錫納米顆粒的材料。石墨烯基礎(chǔ)有助于材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性。氧化錫顆粒的尺寸小于3納米-換句話說小于百萬分之三毫米-并且直接“生長(zhǎng)”在石墨烯上。顆粒的小尺寸及其與石墨烯層的良好接觸也改善了其對(duì)體積變化的耐受性-鋰電池變得更穩(wěn)定并且持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間。

一小時(shí)內(nèi)能量增加三倍

“用銻富集納米粒子可確保材料具有極強(qiáng)的導(dǎo)電性，”Fattakhova-Rohlfing解釋道。“這使陽(yáng)極更快，這意味著它可以在一分鐘內(nèi)儲(chǔ)存比傳統(tǒng)石墨陽(yáng)極多一倍半的能量。它甚至可以儲(chǔ)存三倍于通常充電時(shí)間的能量。一小時(shí)。”

“如此高的能量密度以前只能通過低充電率實(shí)現(xiàn)，”Fattakhova-Rohlfing說。“更快的充電周期總能導(dǎo)致容量的快速減少。”然而，科學(xué)家開發(fā)的銻摻雜陽(yáng)極即使在1000次循環(huán)后也能保持其原始容量的77%。

“納米復(fù)合陽(yáng)極可以簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)的方式生產(chǎn)。應(yīng)用的概念也可以用于鋰離子電池的其他陽(yáng)極材料的設(shè)計(jì)，”Fattakhova-Rohlfing解釋道。“我們希望我們的開發(fā)能為鋰離子電池鋪平道路，能源密度顯著提高，充電時(shí)間極短。”