锂离子电池、为阳极开发的铅基核壳粒子、元素周期表中的元素铅以及汽车用铅酸电池。信用:斯派因斯公司、阿尔贡国家实验室和蔚山国家科学技术研究所锂离子电池为从手机到笔记本电脑再到电动汽车的所有东西提供动力。世界各地的科学家一直在寻找新的和改进的组件，为这些和其他应用制造更好的电池。美国能源部阿贡国家实验室的科学家报告了一种新的锂离子电池电极设计，该设计使用了低成本材料铅和碳。这一重要发现的贡献者还包括来自西北大学、布鲁克海文国家实验室和蔚山国家科学技术研究所的科学家。
“我们的研究对设计低成本、高性能、可持续的锂离子电池具有令人兴奋的意义，这种电池可以为混合动力和全电动汽车提供动力，”Eungje Lee说，他是Argonne化学科学与工程(CSE)部门的主要作者和材料科学家。
锂离子电池的工作原理是在充电时将锂离子插入阳极，在放电时将它们取出。当今的石墨阳极可以运行数千次这样的充放电循环，但似乎已经达到了能量存储容量的极限。
“我们决定研究铅作为阳极材料石墨的有趣替代品，”李说。铅特别有吸引力，因为它丰富而廉价。此外，由于铅酸电池为汽车提供辅助动力的悠久历史，它拥有完善的供应链，是世界上最早的可回收材料之一。美国目前的铅回收率为99%。
“我们的新阳极可以为目前从事铅酸电池制造和回收的大型行业提供新的收入来源，”Lee补充道。
该团队的阳极不是一块普通的铅板，而是无数具有复杂结构的微小颗粒:嵌入碳基质中的铅纳米颗粒，被一层薄薄的氧化铅外壳包裹。虽然这种结构听起来很复杂，但研究小组发明了一种简单、低成本的制造方法。
“我们的方法包括摇动与碳粉混合的大氧化铅颗粒几个小时，直到它们形成具有所需核壳结构的微观颗粒，”该项目的首席研究员、CSE部门的阿尔贡杰出研究员克里斯托弗·约翰逊解释说。
在实验室电池中进行的超过100次充放电循环的测试表明，新的铅基纳米复合阳极获得了当前石墨阳极两倍的能量存储容量(按相同重量标准化)。循环期间的稳定性能是可能的，因为小颗粒尺寸减轻了应力，而碳基质提供了所需的导电性，并作为缓冲剂防止循环期间破坏性的体积膨胀。研究小组还发现，在标准电解液中加入少量的氟代碳酸乙烯酯可以显著提高性能。
研究人员在芝加哥大学运营的先进辐射源地球环境中心(GSECARS)研究了他们阳极的充放电机制，该中心位于美国能源部科学用户设施办公室的阿贡先进光子源。通过同步加速器X射线衍射，他们能够跟踪阳极材料在充电和放电时的相位变化。这些表征结果与西北大学原子和纳米尺度表征中心和国家同步加速器光源二(位于布鲁克海文的能源部用户设施)收集的结果相结合，揭示了铅和锂离子之间在充电和放电时发生的一种以前未知的电化学反应。
李说:“这一基本见解可能对理解铅阳极和硅阳极的反应机制非常重要。硅阳极是下一代锂离子电池的另一种低成本、高性能的候选材料。
“我们的发现挑战了目前对这种电极材料的理解，”约翰逊指出。“我们的发现还为设计低成本、高性能的运输和固定储能阳极材料，如电网备用电源，提供了令人兴奋的启示。”
该团队的论文发表在最近的《高级功能材料》特刊上。
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