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海綿硅材料問世 未來或大幅提高移動設備續航

如今各種移動設備已經成為了人們生活中的必需品,而對于用戶來說,續航時間無疑越長越好。不過目前廣泛使用的鋰離子電池在技術上已經達到了極限,這意味著提升續航時間的最好的辦法便是采用容量更大的電池。但考慮到移動設備正在變得越來越輕薄,因此采用大容量電池只能說是一種無奈的選擇。

海綿硅材料問世 未來或大幅提高移動設備續航

為了解決電池容量的問題,近日美國能源部太平洋西北國家實驗室發明了一種全新的鋰離子電池,其電池容量至少是目前使用了鋰離子電池的兩倍。這種新型鋰離子電池的秘密就在于使用了一種名為海綿硅的材料。雖然此前也有報道稱某些突破性的技術將解決電池難題,但是這些技術目前都還沒有被真正應用,或者還處于試驗階段。與此相比,海綿硅鋰電池不僅更加可行,而且應用難度也要小很多。

目前絕大多數的鋰電池在充放電時使用的都是石墨電極。與采用硅電極的鋰電池相比,這些傳統石墨電極鋰電池的容量僅為前者的十分之一。在理想條件下,硅電極鋰電池能夠提供十倍于石墨電極鋰電池的電量,但是考慮到各種損耗因素,從現在的標準來看,硅電極鋰電池的容量最終可以達到石墨電極鋰電池的2-3倍。

使用硅作為電池電極存在一個問題,那就是硅會吸收大量用于儲存和產生電量的鋰離子,并且在充電過程中其體積將會增加三倍。而這將帶來各種各樣的問題,比如如何設計電池的儲存結構以保證硅在充電時有足夠大的空間。為了解決硅體積膨脹的問題,太平洋西北國家實驗室的科學家們提出用一種多孔海綿硅來作為鋰離子電池的材料,該材料在充電時體積只會增加30%。

簡單地說,海綿硅就是內部布滿小孔的硅。這種特殊的多孔結構使硅在吸收鋰離子時會向內膨脹填滿內部的孔洞,從而降低整體向外的膨脹程度。當體積增大30%時,每克海綿硅電極中可以儲存750mAh的電量,大約是傳統石墨電極的兩倍。此外,海綿硅電極鋰電池也更加耐用,實驗結果顯示在充放電1000次之后電池剩余電量仍然能夠達到80%。

太平洋西北國家實驗室表示他們下一步的目標是制造一個更大的原型電池,其電力將能夠驅動一臺主流電動汽車。此外,來自硅谷的一家名為Amprius的初創公司也已經開始了硅電極鋰電池的開發和商業化過程。雖然Amprius公司的硅電極鋰電池的電量只比目前的石墨電極鋰電池高出10-50%,但是從較為理想的試驗結果來看,這家公司可能會在未來移動設備電池行業占有十分重要的地位。