如果用硅陽(yáng)極取代石墨陽(yáng)極，鋰離子電池每個(gè)單元就可存儲(chǔ)高達(dá)10倍的能量。但是，制造商不使用硅，因?yàn)殡S著電池的充放電，這樣的陽(yáng)極會(huì)迅速退化。
喬治亞技術(shù)學(xué)院(Georgia Institute of Technology)和克萊姆森大學(xué)(Clemson University)的研究人員認(rèn)為，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種成分，可以使硅陽(yáng)極管用，這種成分是一種常見的結(jié)合劑和食品添加劑，來源于藻類，被用于許多家用產(chǎn)品中。他們說，這種材料不僅可以使鋰離子電池更有效，而且制備也更清潔，更便宜。
鋰離子電池儲(chǔ)存能量，需要在陽(yáng)極積累離子;在使用過程中，這些離子會(huì)遷移，穿過電解質(zhì)，到達(dá)陰極。這種陽(yáng)極的制備，通常需要混合電活性石墨粉末與一種聚合物粘結(jié)劑，這種粘結(jié)劑通常是聚偏二氟乙烯(PVDF：polyvinylidene fluoride)，溶解在稱為甲基吡咯烷酮(NMP)的溶劑中。這樣產(chǎn)生的懸浮液要撒到金屬箔片上，再晾干，這種箔片用于收集電流。
如果硅粒子被用作這種電活性粉末的基礎(chǔ)，那么，這種電池陽(yáng)極就可以容納更多的離子。但是，電池充電時(shí)，硅粒子就會(huì)膨脹，體積增加到原始尺寸的四倍。這種膨脹會(huì)導(dǎo)致聚偏二氟乙烯粘結(jié)劑開裂，破壞陽(yáng)極。在今天《科學(xué)》發(fā)表的研究中，喬治亞理工學(xué)院和克萊姆森大學(xué)的科學(xué)家表明，用藻朊酸鹽(alginate)代替聚偏氟乙烯，陽(yáng)極可以膨脹，粘結(jié)劑也不會(huì)開裂。這使研究人員能夠制成穩(wěn)定的硅陽(yáng)極，到目前為止，已證實(shí)硅陽(yáng)極容量8倍于最好的石墨陽(yáng)極。
聚合物藻朊酸鹽來自褐藻，包括形成巨型海帶森林的那種類型。它已被廣泛用作膠凝劑(gelling agent)和食品添加劑。最初，研究人員是想采用幾種不同材料的組合，來取代聚偏氟乙烯。后來，在理論上，他們認(rèn)識(shí)到，一種聚合物只要有適當(dāng)?shù)木鶆蚪Y(jié)構(gòu)，就可以做到這種粘結(jié)劑應(yīng)做的一切，包括提供良好的支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)又不與電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
格列勃?余新(Gleb Yushin)是佐治亞理工學(xué)院儲(chǔ)能納米材料中心的研究人員和主任，他說，研究小組認(rèn)識(shí)到，有一些合成聚合物是由植物纖維素派生的，它們具有的結(jié)構(gòu)，接近所需要的，但不夠均勻。因此，研究小組開始尋找水生植物。余新說：“我們認(rèn)為，有可能已經(jīng)存在一種聚合物(我們可以使用)，因?yàn)檫@些水生植物，尤其是在海水中，都是浸泡在電解液中，”這樣，也就會(huì)發(fā)生進(jìn)化演變，以避免不必要的反應(yīng)。他們無意中發(fā)現(xiàn)了藻朊酸鹽，它的提取需要用蘇打水煮沸海帶，它具有所需的均勻結(jié)構(gòu)。
對(duì)比聚偏氟乙烯，藻朊酸鹽的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，在制造陽(yáng)極時(shí)，藻朊酸鹽可溶解在水中，這就不需要用甲基吡咯烷酮，有可能形成一種更清潔的生產(chǎn)工藝。研究人員認(rèn)為，粘結(jié)劑可以集成到現(xiàn)有的陽(yáng)極制造系統(tǒng)，只需把聚偏氟乙烯和甲基吡咯烷酮必需品替換為藻朊酸鹽和水。藻朊酸鹽也可以用來改善石墨陽(yáng)極的性能，帶來更多的充電和放電循環(huán)，延長(zhǎng)電池使用壽命。
硅陽(yáng)極的潛力不可能被充分發(fā)揮，直到研究人員開發(fā)出可匹配的陰極為止，這種陰極能夠處理相同數(shù)量的鋰離子。不過，即使用現(xiàn)有的陰極，褐藻膠-硅陽(yáng)極也可使鋰離子電池容量增加30%至40%，這是余新所說。 |
