锡纳米晶体使得能够储存在锂离子电池中的电力

在电子显微图像中的单分散锡纳米轧件。图像：Maksym Kovalenko /Ethzürich

在新出版的研究中，研究的研究人员在Eth苏黎世和EMPA的无机化学实验室描述了一种新的纳米材料，使得能够储存在锂离子电池中的更多电力。

更强大的电池可以帮助电动汽车实现相当大的范围，从而实现市场的突破。在Eth苏黎世和Empa的化学家实验室中开发的新型纳米材料可以在这里发挥作用。

它们为电动汽车，电动自行车，智能手机和笔记本电脑提供电力;如今，可充电锂离子电池是在少空间和重量轻的储能大量能量时选择的存储介质。在世界各地，科学家目前正在研究新一代的电池，具有改进的性能。来自Eth苏黎世和EMPA的无机化学实验室的Maksym Kovalenko领导的科学家现在已经开发出一种纳米材料，这使得能够储存在锂离子电池中的更大的功率。

纳米材料由微小的锡晶组成，该锡晶体应在电池（阳极）的负极杆上部署。充电电池时，锂离子在该电极上被吸收;在放电时，它们再次被释放（见盒子）。“锂离子越多电极可以吸收和释放 - 它们可以呼吸越好，因为它越多，可以储存在电池中的能量越多，”Kovalenko解释道。

均匀晶体

元素锡是理想的：每种锡原子可以吸收至少四个锂离子。然而，挑战是处理TIN电极的体积变化：如果吸收大量锂离子并在释放回来时再次收缩，锡晶变得更大三倍。因此，科学家们采取了纳米技术：它们在多孔导电渗透性碳基质中产生了最小的锡纳米晶体并嵌入了大量的锡纳米晶体。就像海绵如何吸收水并再次释放它，以这种方式构造的电极可以在充电时吸收锂离子并在放电时释放它们。如果电极由紧凑型锡块制成，则这实际上是不可能的。

在纳米材料的发展期间，纳米晶体的理想尺寸的问题也携带生产均匀晶体的挑战。“这里的诀窍是将两种基本步骤分开在晶体中的形成 - 一方面是尽可能小的作为晶体的形成，而其随后的另一个是另一方面，”Kovalenko解释道。通过影响生长阶段的时间和温度，科学家们能够控制晶体的尺寸。“我们是第一个用这种精确制作如此小锡晶体的人，”科学家说。

较大的循环稳定性

使用均匀的锡纳米晶体，碳和粘合剂，科学家们生产了不同的电池测试电极。“这使得与传统电极相比能够存储两倍的功率，”Kovalenko说。纳米晶体的尺寸在初始充电和放电循环期间不会影响存储容量。然而，在一些充电和放电循环之后，由晶体尺寸引起的差异变得显而易见：电极中具有十纳米晶体的电池能够比直径两倍的能量存储比两倍的能量。科学家认为较小的晶体更好，因为它们可以更有效地吸收和释放锂离子。“10纳米锡晶体似乎只是锂离子电池的票，”Kovalenko说。

由于科学家现在知道锡纳米晶体的理想尺寸，他们希望注意他们在进一步研究项目中生产最佳锡电极的剩余挑战。这些包括选择最佳碳基质和用于电极的粘合剂，以及电极的理想的微观结构。此外，还需要选择最佳且稳定的电解质液体，其中锂离子可以在电池中的两个极之间来回行驶。最终，生产成本也是一个问题，研究人员正在通过测试来降低，该测试性高效基材适用于电极生产。目的是与瑞士工业合作伙伴合作，为市场提供增加的能量储存能力和寿命的电池。

锂离子电池如何工作

在锂离子电池中，能量以带电电池中的负极在负极的带正电荷的锂原子（离子）的形式中储存。如果从电池取出能量，则通过外部电路从负极从负极到加杆的负电荷的电子流动。为了平衡电荷，带正电荷的锂离子也从负极到加杆流过。然而，这些在电池内的电解液中行驶。该过程是可逆的：锂离子电池可以用电器充电。在这几天大多数锂离子电池中，加杆由过渡金属氧化物钴，镍和锰，料极的磁极。然而，在下一代更强大的锂离子电池中，可以在负极下使用锡或硅等元素。

出版物：Kravchyk K，等人，“用于高性能锂离子电池阳极的单分散和无机封端的Sn和Sn / SnO2纳米晶体”J.AM。化学。SOC。，135（11），PP 4199-4202; DOI：10.1021 / JA312604R.

图像：Maksym Kovalenko /Ethzürich