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使用納米硅材料的新型電池可以用于太空供電了

來源:廣州宏武材料科技有限公司     發布時間:2020-09-30瀏覽量:

      據物理學家組織網8月31日報道,美國科學家研制出了一種更輕便、充電速度更快的電池,該電池的負極材料之一是納米硅粉,可為宇航服甚至火星探測器供電,也可裝配于衛星上。研究由美國國家航空航天局(NASA)資助,相關論文發表于近期出版的美國化學會期刊《應用材料與界面》。

      研究人員之一、克萊姆森大學科學家拉瑪克里斯納·波迪拉表示:“大多數衛星主要從太陽獲取能量,但衛星也必須做到處于地球陰影下時仍能存儲能量,因此衛星上配備的電池要盡可能輕,衛星越重,任務成本越高。”

      波迪拉團隊用硅材料研制出了最新電池。硅可以包裹更多電荷,這意味著更多能量可以存儲在較輕的電池中。盡管科學家一直以來都非常重視硅的儲電能力,但硅在放電時會分解成較小碎片。對于大容量電池而言,納米硅的應用潛力較大,因為該款材料的儲量豐富,相較于石墨,電池內硅材料對鋰離子的吸納量更大。但在多次充放電后,硅容易出現碎裂或斷裂,因為該材料在吸納及釋放鋰離子后,自身會膨脹和收縮,易出現裂痕。

      鑒于此,波迪拉等人使用微小的硅“納米”顆粒來替代,這些顆粒可提高穩定性并提供更長的循環壽命。

      阿爾伯塔大學化學家兼納米能源材料加拿大研究講座教授(Canada Research Chair)Jillian Buriak表示:“我們想要開展多種測試,查看不同尺寸的硅納米顆粒對電池內部碎裂的不同影響。” 研究人員將硅納米顆粒物分為四種不同的尺寸,將其均勻地分散在高導電性石墨烯氣溶膠(highly conductive graphene aerogels),后者帶有納米級孔隙,該結構可彌補硅導電性的不足。她們發現,在直徑1米的范圍內,存在30億個納米級顆粒,在多次充放電后,可提供長期的穩定性。


      研究人員先用名為“巴克紙”(Buckypaper)的碳納米管材料制成一層一層的結構,然后將硅納米顆粒夾在中間——就像“三明治”一樣制造出了新型電池。 波迪拉說,采用這種內部結構,即使硅顆粒破裂,它們也“仍在三明治中”。

      研究人員表示:“獨立的碳納米管片使硅納米粒子彼此之間通過電相互連接。這些納米管形成了準三維結構,即使經過500次循環,硅納米粒子也能簇擁在一起,并減輕了由于納米粒子破裂而產生的電阻。”

      使用硅和其他納米材料制成的電池不僅可以提高容量,還可以更高的電流為電池充電,從而縮短充電時間。由于新電池使用納米管作為緩沖機制,因此,充電速度比當前快4倍。此外,新電池“體重”輕,充電速度更快,效率大大提高,這對身著由電池供電宇航服的宇航員們來說也更有利。


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