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使用纳米硅材料的新型电池可以用于太空供电了

来源:广州宏武材料科技有限公司     发布时间:2020-09-30浏览量:

      据物理学家组织网8月31日报道,美国科学家研制出了一种更轻便、充电速度更快的电池,该电池的负极材料之一是纳米硅粉,可为宇航服甚至火星探测器供电,也可装配于卫星上。研究由美国国家航空航天局(NASA)资助,相关论文发表于近期出版的美国化学会期刊《应用材料与界面》。

      研究人员之一、克莱姆森大学科学家拉玛克里斯纳·波迪拉表示:“大多数卫星主要从太阳获取能量,但卫星也必须做到处于地球阴影下时仍能存储能量,因此卫星上配备的电池要尽可能轻,卫星越重,任务成本越高。”

      波迪拉团队用硅材料研制出了最新电池。硅可以包裹更多电荷,这意味着更多能量可以存储在较轻的电池中。尽管科学家一直以来都非常重视硅的储电能力,但硅在放电时会分解成较小碎片。对于大容量电池而言,纳米硅的应用潜力较大,因为该款材料的储量丰富,相较于石墨,电池内硅材料对锂离子的吸纳量更大。但在多次充放电后,硅容易出现碎裂或断裂,因为该材料在吸纳及释放锂离子后,自身会膨胀和收缩,易出现裂痕。

      鉴于此,波迪拉等人使用微小的硅“纳米”颗粒来替代,这些颗粒可提高稳定性并提供更长的循环寿命。

      阿尔伯塔大学化学家兼纳米能源材料加拿大研究讲座教授(Canada Research Chair)Jillian Buriak表示:“我们想要开展多种测试,查看不同尺寸的硅纳米颗粒对电池内部碎裂的不同影响。” 研究人员将硅纳米颗粒物分为四种不同的尺寸,将其均匀地分散在高导电性石墨烯气溶胶(highly conductive graphene aerogels),后者带有纳米级孔隙,该结构可弥补硅导电性的不足。她们发现,在直径1米的范围内,存在30亿个纳米级颗粒,在多次充放电后,可提供长期的稳定性。


      研究人员先用名为“巴克纸”(Buckypaper)的碳纳米管材料制成一层一层的结构,然后将硅纳米颗粒夹在中间——就像“三明治”一样制造出了新型电池。 波迪拉说,采用这种内部结构,即使硅颗粒破裂,它们也“仍在三明治中”。

      研究人员表示:“独立的碳纳米管片使硅纳米粒子彼此之间通过电相互连接。这些纳米管形成了准三维结构,即使经过500次循环,硅纳米粒子也能簇拥在一起,并减轻了由于纳米粒子破裂而产生的电阻。”

      使用硅和其他纳米材料制成的电池不仅可以提高容量,还可以更高的电流为电池充电,从而缩短充电时间。由于新电池使用纳米管作为缓冲机制,因此,充电速度比当前快4倍。此外,新电池“体重”轻,充电速度更快,效率大大提高,这对身着由电池供电宇航服的宇航员们来说也更有利。


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