作者维多利亚·马丁，阿尔贡国家实验室 阿尔贡科学家观察到微米级磷粒子在充放电过程中可逆的体积和相变
单位:阿尔贡国家实验室/徐 阿尔贡国家实验室的科学家们在开发更高容量的锂离子电池以满足日益增长的消费者需求方面取得了进展
随着越来越多的电动汽车上路，对消费电子产品的依赖越来越大，人们对开发锂离子电池的需求从未像现在这样大，这种电池可以维持更高的能量容量，或储存在电池中的电量
提高锂离子电池整体能量容量的一种方法是提高阳极或负极的能量容量
在过去的几十年里，最先进的LiB是用石墨阳极制成的
石墨的能量容量是稳定的，这意味着容量不会衰减，即使在超过1000次完全充放电循环后，材料也不会破裂
然而，石墨的理论能量容量较低，不能满足当今社会日益增长的能量需求
在一项新的研究中，由美国大学的研究人员领导的一个小组
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能源部阿贡国家实验室已经证明了一种潜在的新的、更高容量的阳极材料的增强能力
这种复合材料最初是为钠离子电池开发的，钠离子电池比锂离子电池更少在商业上使用
这项新的研究试图将这种材料应用于锂离子电池
最近，有两种材料处于下一代电池阳极研究的前沿——硅和磷
硅和磷的理论能量至少是石墨的10倍，这意味着它们可以超过锂基电池的能量需求
根据高级材料科学家和阿尔贡杰出研究员哈利勒·阿明，阿尔贡研究的首席研究员，硅有两个主要问题
第一个问题涉及充电期间硅锂化时的高体积膨胀，这可能导致阳极材料破裂
他解释说，开裂会导致能量损失
第二个问题涉及一个叫做初始库仑效率的术语
当电池经历一个完整的充放电循环时，理论上电池的电荷输出应该与电荷输入相匹配
然而，电荷输出中的一些能量损失给了与阳极材料反应的锂
为了开发实用的LIB，在第一次充放电循环中，电荷输出与电荷输入的比率应高于90%
这个比例就是ICE
含硅时，冰的含量不到80%，阿明解释说这使得它在实际应用中不可行
在他们的研究中，阿明、阿贡化学家桂-徐良和他们的同事探索了两种潜在的磷:黑磷和红磷
“磷有很高的能量容量，”徐说
“当我们探索这种材料时，我们发现我们的阳极材料具有超过90%的高ICE
" 超过90%的冰表明在阳极材料和电解质之间很少发生副反应，因此在初始充电和放电过程中损失的锂不多
该团队创造了他们自己的阳极复合材料，主要由黑磷和导电碳化合物组成，黑磷是一种具有高理论容量的高导电性磷
为了制造复合材料，研究人员将大量磷材料和导电碳研磨成微米大小的颗粒，这增加了阳极的密度
当测量生命周期或电池可充电和放电的总次数时，阿明和他的同事求助于阿贡的先进光子源和纳米材料中心(CNM)，这两个机构都是美国能源部科学办公室的用户设施
在美国物理学会采用原位储存环形光源x光衍射，在CNM采用原位扫描电子显微镜，研究小组观察了阳极在重复充放电过程中的相位和体积变化
“阿尔贡在APS和CNM有独特的能力，”徐说
“利用储存环光源，我们可以探测锂化和脱锂化过程中的相变，这使我们能够看到反应的可逆性
" 在显示了黑磷复合物的稳定性之后，研究小组研究了一种用红磷代替黑磷的复合物
尽管黑磷的导电性明显高于红磷，但对于市场上的实际应用来说，它太昂贵了
红磷复合材料是一种经济可行的选择，该电池显示出类似的稳定性和高冰，具有非常高的实际容量
徐说，该团队目前正在研究一种主要由红磷制成的复合材料，这种材料显示出很好的效果
“我们正在尝试与行业合作伙伴开展合作，这样我们就可以扩大这种材料的规模，以便将来可以将其商业化
" 这项研究的研究论文“一种实用的高能锂离子电池磷基正极材料”于2020年4月26日在《纳米能源》杂志上发表
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