在電商主導的時代,之所以能夠快速崛起的關鍵之一,是擁有高效儲能元件——鋰離子電池,而鋰離子電池的密度能夠不斷升級,功勞還要歸於納米技術。
又因為之前被廣泛應用的納米技術導電性比較差,所以把應用在鋰離子電池的納米技術製作成了納米顆粒,改變了納米技術導電性差的現狀,並且使得硅材料有很好的循環性。
納米顆粒的功勞這麼大,那什麼是納米顆粒呢?
納米顆粒實際上就是一種納米,但是體積很小,是一種不超過100納米的微型顆粒,也是一種小於10納米的半導體顆粒。它在科學方面的研究價值非常高,形態也是多張多樣的,所以組合性很強,除了顆粒形態,還可以是乳膠體或者是聚合物。就連平時用到的化妝品,其中就可能含有納米顆粒。
分兩個方面來介紹納米顆粒:一方面是納米顆粒在鋰離子電池方面的作用;第二個方面是納米顆粒對硅材料的循環性能。
正如最開始提到的鋰離子電池的儲能密度能達到如此高的水平,與納米顆粒的技術有著不可分割的關係。拿一種正極材料和一種負極材料具體展開舉例。
先說正極材料,應用在鋰離子電池方面最為廣泛的就是磷酸鐵鋰,化學式為LiFePO4(簡稱LFP)。LFP最突出的就是性能穩定,散熱好,而且成本還很低。這一系列的優勢,也是為什麼LEP受到很多關注。
主要原因除了LEP本身設計的合理性,更重要的還是納米顆粒的應用,使得鋰離子電池能夠3分鐘之內完成充放電。在LEP的內部有一種構造是共價鍵構造,這也是為什麼LEP性能穩定,因為共價鍵構造就是由兩個以上的多個原子組成,能讓電子保持在飽和的狀態,形成比較穩定的結構。但是這也使得LiFePO4材料的導電性變差,這時就引用了納米顆粒,在外面進行一層包裹,在保持性能穩定的前提下,提高了鋰離子電池的充放電性能和提高了材料自身的循環壽命。
負極材料適用於鋰離子電池材料之一的就是石墨材料。石墨材料是一種比較適合做負極材料的,但是會有缺點,就是石墨材料在工作的時候,石墨的片層容易被分解,雖然有電子絕緣體SEI膜防止,就是形成一層鈍化層來“加盾”進行保護。
但是對於石墨材料來說是遠遠不夠的,這個時候就需要納米顆粒地保護了。納米顆粒就是通過塗層技術來保護的,主要的塗層技術有三大類,表現最優秀的就是無定形碳,主要是成本偏低,也可以大規模去生產,其他的兩種可以更厲害的是可以有效防止電解,較大強度的保護。此外還有一種納米顆粒的保護方法是使表面氧化技術,這裡不多做介紹。
第二個方面要介紹的是納米顆粒對硅材料的循環性能,這在納米顆粒的應用方面算是比較熱點的,詳細講一下,有關於鋰離子材料的負極材料是怎麼應用納米顆粒技術的?就像剛才介紹的負極材料中,硅材料也是比較適合做負極材料的,但是硅材料被關注的熱度比石墨材料要高很多。在納米顆粒應用中提升了硅負極材料的能量密度,但是也有一個缺點。
納米顆粒主要就是為了克服硅材料顆粒過度脫落問題,因為硅材料自身的比容量就高,但是這個過程中會引起三倍的體積膨脹,使得顆粒被迫大量脫落。有一個道理是“硅顆粒體積的大小直接影響電池性能,硅顆粒體積越小,電池循環性能越好”,所以納米顆粒的應用,使得硅材料有很好的循環性能。
而且目前研究的關於硅材料的納米顆粒被分為四種不同的維度,有零維到三維,不同的維度在一定程度上的優劣勢各不一樣,但是是能很好地解決電導性差的問題,不同的工作也是適用於不同的硅材料,未來研究還有很長的一段路。