前沿科技之海藻使锂电池容量提升10倍

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如果用硅阳极取代石墨阳极，锂离子电池每个单元就可存储高达10倍的能量。但是，制造商不使用硅，因为随着电池的充放电，这样的阳极会迅速退化。
乔治亚技术学院（Georgia Institute of Technology）和克莱姆森大学（Clemson University）的研究人员认为，他们已经发现一种成分，可以使硅阳极管用，这种成分是一种常见的结合剂和食品添加剂，来源于藻类，被用于许多家用产品中。他们说，这种材料不仅可以使锂离子电池更有效，而且制备也更清洁，更便宜。
锂离子电池储存能量，需要在阳极积累离子；在使用过程中，这些离子会迁移，穿过电解质，到达阴极。这种阳极的制备，通常需要混合电活性石墨粉末与一种聚合物粘结剂，这种粘结剂通常是聚偏二氟乙烯（PVDF：polyvinylidene fluoride），溶解在称为甲基吡咯烷酮（NMP）的溶剂中。这样产生的悬浮液要撒到金属箔片上，再晾干，这种箔片用于收集电流。
2 J4 z' u- E( K: R- Z+ N如果硅粒子被用作这种电活性粉末的基础，那么，这种电池阳极就可以容纳更多的离子。但是，电池充电时，硅粒子就会膨胀，体积增加到原始尺寸的四倍。这种膨胀会导致聚偏二氟乙烯粘结剂开裂，破坏阳极。在今天《科学》发表的研究中，乔治亚理工学院和克莱姆森大学的科学家表明，用藻朊酸盐（alginate）代替聚偏氟乙烯，阳极可以膨胀，粘结剂也不会开裂。这使研究人员能够制成稳定的硅阳极，到目前为止，已证实硅阳极容量8倍于最好的石墨阳极。
- L3 E/ u- V% P3 C* d聚合物藻朊酸盐来自褐藻，包括形成巨型海带森林的那种类型。它已被广泛用作胶凝剂（gelling agent）和食品添加剂。最初，研究人员是想采用几种不同材料的组合，来取代聚偏氟乙烯。后来，在理论上，他们认识到，一种聚合物只要有适当的均匀结构，就可以做到这种粘结剂应做的一切，包括提供良好的支撑结构，同时又不与电解质发生化学反应。
格列勃•余新（Gleb Yushin）是佐治亚理工学院储能纳米材料中心的研究人员和主任，他说，研究小组认识到，有一些合成聚合物是由植物纤维素派生的，它们具有的结构，接近所需要的，但不够均匀。因此，研究小组开始寻找水生植物。余新说：“我们认为，有可能已经存在一种聚合物（我们可以使用），因为这些水生植物，尤其是在海水中，都是浸泡在电解液中，”这样，也就会发生进化演变，以避免不必要的反应。他们无意中发现了藻朊酸盐，它的提取需要用苏打水煮沸海带，它具有所需的均匀结构。
5 e- @" n5 `  ~( G0 S对比聚偏氟乙烯，藻朊酸盐的另一个优势是，在制造阳极时，藻朊酸盐可溶解在水中，这就不需要用甲基吡咯烷酮，有可能形成一种更清洁的生产工艺。研究人员认为，粘结剂可以集成到现有的阳极制造系统，只需把聚偏氟乙烯和甲基吡咯烷酮必需品替换为藻朊酸盐和水。藻朊酸盐也可以用来改善石墨阳极的性能，带来更多的充电和放电循环，延长电池使用寿命。
硅阳极的潜力不可能被充分发挥，直到研究人员开发出可匹配的阴极为止，这种阴极能够处理相同数量的锂离子。不过，即使用现有的阴极，褐藻胶-硅阳极也可使锂离子电池容量增加30％至40％，这是余新所说。

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