铝“蛋黄和壳”纳米粒子促进了锂离子电池的容量和功率

中心的灰色球代表铝纳米粒子，形成“蛋黄”。外浅蓝色层表示二氧化钛的固体壳，蛋黄和壳之间的空间允许蛋黄膨胀和收缩而不会损坏壳。背景技术是这些蛋黄壳纳米颗粒的集合的实际扫描电子显微镜图像。图像：克里斯汀·丹尼尔洛夫（Christine Daniloff）

中国麻省理工学院和清华大学的新研究揭示了铝“蛋黄和壳”纳米粒子可以提高锂离子电池的能力和力量。

可充电电池中电极面临的一个大问题，因为它们经过重复的充电和放电循环，是它们必须在每个循环期间扩展和收缩 - 有时在体积增加，然后缩回。这可能导致其重复的脱落和改革其“皮肤”层，消耗锂不可逆转，随着时间的推移降低电池的性能。

现在，在中国的麻省理工学院和清华大学的一支研究人员已经发现了一种新的问题：创造由纳米颗粒制成的电极，具有固体壳，内部的“蛋黄”，可以再次又一次地改变大小而不影响壳体。该团队说，创新可能会大大改善循环生活，并在电池容量和力量方面提供戏剧性的提升。

在Journy National Communicions中，在Junice Communicions中，在Jum Li和其他六个纸上报道了使用铝作为锂离子电池负极的关键材料的新发现，作为锂离子电池负极的负电极或阳极的关键材料。团队报告，使用铝蛋黄和二氧化钛外壳的使用纳米颗粒和二氧化钛壳的使用已被证明是“高容量阳极的高速冠军”。

最具目前的锂离子电池 - 最广泛使用的可充电电池形式 - 使用由石墨制成的阳极，碳形式。石墨电荷存储容量为每克0.35安培（AH / G）;多年来，研究人员探索了其他选择，可以为给定权重提供更大的能量储存。例如，锂金属可以存储每克的能量约10倍，但非常危险，能够短路甚至捕获火灾。硅和锡具有很高的容量，但容量落下高充电和放电速率。

铝是一种低成本选项，理论容量为2 AH / g。但铝和其他大容量材料，李说，“当他们吸收锂电时，当它们达到高容量时，扩大很多。然后他们在释放锂时缩小。“

铝颗粒的这种扩展和收缩产生了极大的机械应力，这可能导致电触点断开。而且，与铝接触的液体电解质将始终在所需的充电/放电电压下分解，形成称为固体电解质间的皮肤（SEI）层，如果不为重复的大容量膨胀和引起SEI的收缩，那将是OK的粒子脱落。结果，以前试图开发用于锂离子电池的铝电极失效。

这就是使用蛋黄壳纳米粒子形式的使用狭窄铝的想法进入。在纳米技术业务中，所谓的“核心壳”和“蛋黄壳”纳米粒子之间存在很大差异。前者具有直接粘合到核心的壳体，但蛋黄壳颗粒具有两者之间的空隙，而鸡蛋的白色之间是空白的。结果，“卵黄”材料可以自由扩展和收缩，对“壳牌”的尺寸和稳定性几乎没有影响。

“我们制成氧化钛壳，”李说，“将铝与电池两电极之间的液体电解质分离”。他说，壳不会膨胀或缩小，因此壳体上的SEI涂层非常稳定并且不会脱落，并且铝内部免受与电解质直接接触的保护。

李氏能源联盟教授在麻省理工学院的材料科学与工程系联合任命中，该团队最初没有这样计划。

“我们偶然提出了这种方法，这是一个机会发现，”他说。它们使用的铝颗粒直径约50纳米，天然存在氧化铝（Al 2 O 3）。“我们需要摆脱它，因为它对电导率不利，”李说。

它们最终将氧化铝层转化为二氧化钛（TiO2），当它非常薄时，更好的电子和锂离子导体。将铝粉置于含有氧化钛硫酸钛的硫酸中。当氧化铝与硫酸反应时，释放过量的水，其与氟磺酸氢盐反应，形成厚度为3至4纳米的氢氧化钛的固体壳。令人惊讶的是，虽然这种固体壳形态几乎瞬间，如果颗粒在酸中待几个小时，则铝芯连续收缩以成为30nm的“yolk”，这表明小离子可以通过壳牌。

然后处理颗粒以获得最终铝 - 二氧化钛（ATO）蛋白壳颗粒。在测试通过500个充电循环后，李说，李说，李说，但是电极内部保持清洁，没有SEI的累积，证明壳体完全封闭铝，同时允许锂离子和电子。进出。李说，结果是一种电极，其以正常的充电率表示石墨（1.2Ah / g）的3倍以上的电极。在非常快的充电率（六分钟到全充电），500次循环后容量仍然是0.66 AH / g。

李说，材料廉价，制造方法可以简单且易于缩放。对于需要高功率和能量密度电池的应用，他说：“这可能是最佳阳极材料。”使用磷酸铁锂作为阴极的全细胞试验已经成功，指示ATO非常接近于准备好实际应用。

“这些蛋黄壳颗粒在Lab规范测试中表现出非常令人印象深刻的性能，”新加坡南洋科技大学化学和生物分子工程副教授David Lou说，他没有参与这项工作。“对我来说，这项工作中最吸引人的点是这个过程似乎简单且可扩展。”

电池领域有很多工作，使用“复杂的设施复杂的合成”，但这种系统“不太可能对真正的电池产生影响。… 简单的东西对电池领域产生了真正的影响。“

研究团队包括Sa Li，Yu Cheng Zhao，以及在北京的清华大学张王，杨杰牛，康乃伊，王王麻省理工学院。该工作得到了国家科学基金会和中国国家自然科学基金的支持。

出版物：SA Li等，“高速铝蛋白蛋白蛋白壳纳米粒子阳极阳极，具有长循环寿命和超高容量，”自然通信6，物品编号：7872; DOI：10.1038 / ncomms8872