科学家用“硅”做电池负极 电动车续航增长10倍

滑铁卢大学的研究人员和通用汽车全球研发中心合作，研究了电池硅负极的热处理技术，解决充放电时硅负极体积收缩膨胀率过大的问题。

滑铁卢大学的研究人员研究出了新一代电池技术，可以生产出稳定的小体积，长续航电池，除了方便小型可穿戴设备安装，也能用于电动汽车。陈忠伟(音)是一名滑铁卢大学的化学工程师教授，也是整个项目的负责人，他带领的一组研究生团队所做的研究，据说可以大大提升电池的性能表现和使用寿命，远超市面上的锂离子电池。这一研究成果已经被刊登在《自然通讯》杂志上。

 

陈忠伟(左二)和团队成员

研究人员如何做到减小电池体积的情况下，还能保证长续航?答案是，他们使用了硅作为电池的负极材料并解决了材料弊端。

众所周知，石墨已经被长期使用在锂离子电池中作为负极材料。但是随着电池技术的提升，材料本身已经渐渐变成了电池性能发展的瓶颈，因为石墨储能量已经到达上限，研究机构开始转向新负极材料的搜寻，其中一个尝试就是采用硅作为电池负极。

在理论上，硅材料的比容量要远大于石墨材料。比容量数值的高低直接体现了单位重量电池所能放出的电量。目前商业化锂离子电池广泛使用的负极活性材料为石墨，比容量约为360mAh/g。滑铁卢大学选择使用的硅材料理论比容量达到了4200mAh/g，是石墨的10倍以上。陈忠伟表示，这意味着一辆电动车的单次充电续航可达500公里，并且比现在的电动车电池更小更轻，可以为车身减重。

但是将硅作为电池负极材料的尝试并不在少数，至今未能广泛应用的原因在于一些技术难关。我们知道，电池负极材料和电池的安全性也有很大的关联，而硅负极材料的短板在于——安全性较差，充放电的体积变化极大。每一次充放，硅材料体积收缩膨胀率高达300%。每一次体积的增大和减小都会形成裂纹，降低电池的表现性能，造成短路，并且最终导致电池停止工作。

滑铁卢大学研究人员在使用硅材料研发电池的过程中要集中解决的也是这个问题。陈教授的的团队和通用汽车全球研发中心合作研发了硅材料电极的热处理技术，可以把充电过程中的体积膨胀减小到最低，从而提高电池的表现和锂离子电池循环充放电的过程。这种热处理技术创造了独特结构的硅负极，随着电池能量容量的提升，可以把充放电循环增加到2000次。

硅负极电池是陈教授的一个研究课题，他表示这项电池技术具备了商业量产的可能，研究团队希望在明年之前看到新电池进入市场。他带领的团队研究的主要项目包括用独特的纳米材料研发新一代清洁、可持续能源技术。此外他们还关注包括金属空气电池、锂硫电池和各种类型的液流电池。