使用纳米硅材料的新型电池可以用于太空供电了

来源：广州宏武材料科技有限公司发布时间：2020-09-30浏览量：次

据物理学家组织网8月31日报道，美国科学家研制出了一种更轻便、充电速度更快的电池，该电池的负极材料之一是纳米硅粉，可为宇航服甚至火星探测器供电，也可装配于卫星上。研究由美国国家航空航天局（NASA）资助，相关论文发表于近期出版的美国化学会期刊《应用材料与界面》。

研究人员之一、克莱姆森大学科学家拉玛克里斯纳·波迪拉表示：“大多数卫星主要从太阳获取能量，但卫星也必须做到处于地球阴影下时仍能存储能量，因此卫星上配备的电池要尽可能轻，卫星越重，任务成本越高。”

波迪拉团队用硅材料研制出了最新电池。硅可以包裹更多电荷，这意味着更多能量可以存储在较轻的电池中。尽管科学家一直以来都非常重视硅的储电能力，但硅在放电时会分解成较小碎片。对于大容量电池而言，纳米硅的应用潜力较大，因为该款材料的储量丰富，相较于石墨，电池内硅材料对锂离子的吸纳量更大。但在多次充放电后，硅容易出现碎裂或断裂，因为该材料在吸纳及释放锂离子后，自身会膨胀和收缩，易出现裂痕。

鉴于此，波迪拉等人使用微小的硅“纳米”颗粒来替代，这些颗粒可提高稳定性并提供更长的循环寿命。

阿尔伯塔大学化学家兼纳米能源材料加拿大研究讲座教授（Canada Research Chair）Jillian Buriak表示：“我们想要开展多种测试，查看不同尺寸的硅纳米颗粒对电池内部碎裂的不同影响。” 研究人员将硅纳米颗粒物分为四种不同的尺寸，将其均匀地分散在高导电性石墨烯气溶胶（highly conductive graphene aerogels），后者带有纳米级孔隙，该结构可弥补硅导电性的不足。她们发现，在直径1米的范围内，存在30亿个纳米级颗粒，在多次充放电后，可提供长期的稳定性。

研究人员先用名为“巴克纸”（Buckypaper）的碳纳米管材料制成一层一层的结构，然后将硅纳米颗粒夹在中间——就像“三明治”一样制造出了新型电池。波迪拉说，采用这种内部结构，即使硅颗粒破裂，它们也“仍在三明治中”。

研究人员表示：“独立的碳纳米管片使硅纳米粒子彼此之间通过电相互连接。这些纳米管形成了准三维结构，即使经过500次循环，硅纳米粒子也能簇拥在一起，并减轻了由于纳米粒子破裂而产生的电阻。”

使用硅和其他纳米材料制成的电池不仅可以提高容量，还可以更高的电流为电池充电，从而缩短充电时间。由于新电池使用纳米管作为缓冲机制，因此，充电速度比当前快4倍。此外，新电池“体重”轻，充电速度更快，效率大大提高，这对身着由电池供电宇航服的宇航员们来说也更有利。

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