资料介绍
纳米技术致力于解决传统电池领域的哪些重大问题?
1. 体积变化导致活性颗粒和电极的开裂与破碎
传统嵌入式电极材料在充放电过程中的体积变化较小。而对于新型的高容量电极材料而言,由于充放电过程中,大量Li物种嵌入和脱嵌,发生巨大的体积变化。经过多次循环之后,活性颗粒和电极材料会开裂和破碎,影响电学传导,并造成容量降低,最终导致电池失效,大大缩短了电池的使用寿命。据报道,合金型负极材料的体积膨胀率中,Si为420%,Ge和Sn为260%,P为300%。而传统的石墨负极只有10%。2
图1. 活性颗粒和电极材料在充放电过程中开裂和破碎的过程
那么,纳米技术是如何解决体积变化这个问题的呢?
Si负极的解决方案
纳米材料一个天然优势就在于,其尺寸较小,可以在颗粒和电极层面上有效抵抗力学上的破坏。高容量电极材料有一个基本参数,叫做临界破碎尺寸。这个参数值取决于材料的反应类型(譬如合金反应,转化反应)、力学性能、结晶度、密度、形貌以及体积膨胀率等一系列参数。而且,电化学反应速率对于颗粒的开裂和破碎影响重大,充放电速率越快,产生的应力就越大。当颗粒尺寸小于这个临界尺寸时,锂化反应引起的应力就能得到有效控制,从而缓解颗粒的的开裂和破碎行为。
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