科学家开发出“纳米链”以增加锂离子电池的容量

研究人员发现带有黑色黑色纳米链结构的铜电极（左）的纽扣电池的艺术描绘，可以增加电池容量并缩短充电时间。

手机或计算机的电池可以使用多长时间，取决于电池负极材料中可以存储多少个锂离子。如果电池中的这些离子用尽了，它将无法产生电流来使设备运行，并最终导致故障。

具有较高锂离子存储容量的材料太重或形状错误，无法代替石墨（石墨是当今电池中目前使用的电极材料）。

普渡大学的科学家和工程师介绍了一种潜在的方式，可以将这些材料重组为新的电极设计，这将使它们能够延长电池的使用寿命，使其更稳定并缩短充电时间。

这项研究作为《应用纳米材料》 9月刊的封面出现，创造了一种网状结构，称为锑的“纳米链”，锑是一种类金属，已知可以增强电池中锂离子的充电能力。

研究人员将纳米链电极与石墨电极进行了比较，发现当带有纳米链电极的纽扣电池仅充电30分钟时，在100次充放电循环中，锂离子电池的容量就翻了一番。

某些类型的商用电池已经使用了类似于锑金属负极的碳金属复合材料，但是随着锂离子的吸收，这种材料往往会膨胀至三倍，从而随着电池充电而成为安全隐患。

“您想在智能手机电池中容纳这种类型的扩展。这样一来，您就不会随身携带一些不安全的东西，”普渡大学化学工程副教授Vilas Pol说。

一种新的方法可以通过将更好的材料转换为纳米链结构（一种纽扣电池的铜电极上的黑色材料）来构成电池电极。

普渡大学的科学家通过应用化学物质（一种还原剂和一种成核剂），将微小的锑颗粒连接成可以满足所需膨胀要求的纳米链形状。团队使用的特殊还原剂氨硼烷负责在纳米链内部形成空的空间，以容纳膨胀并抑制电极故障。

该小组将氨硼烷应用于几种不同的锑化合物，发现只有氯化锑才能产生纳米链结构。

普渡大学有机化学教授P. V. Ramachandran说：“我们制造纳米颗粒的程序始终提供链结构。”

纳米链还可以在至少100次充放电循环中保持锂离子容量的稳定性。波尔说：“从第1周期到第100周期基本上没有变化，因此我们没有理由认为第102周期不会相同。”

普渡大学化学研究生亨利·哈曼（Henry Hamann）合成了锑纳米链结构，普渡大学化学工程博士后候选人Jassiel Rodriguez测试了电化学电池的性能。

研究人员说，这种电极设计具有可扩展到更大电池的潜力。该团队计划接下来在袋式电池中测试该设计。

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这项工作得到了赫伯特·布朗研究中心的资助。

参考：Jassiel R. Rodriguez，Henry J. Hamann，Garrett M. Mitchell，Volkan Ortalan，Vilas G. Pol和P. Veeraraghavan Ramachandran撰写的“用于锂离子存储的三维锑纳米链”，2019年8月12日，ACS应用纳米材料。 DOI：
10.1021 / acsanm.9b01316