鋰電池充電時間有望縮短至數分鐘

每當智能手機需要充電的時候，我們總會對長時間的等待感到厭煩。隨着科技的發展，在不久的未來，這將不再困擾我們。
近日，普渡大學的研究人員採用氧化錫納米顆粒研製了一種新型材料，可以使鋰離子電池的充電時間縮短至數分鐘。

這項成果發表在 Advanced Energy Materials 上，論文中普渡大學的研究人員用氧化錫納米顆粒作為鋰離子電池的負極，其比容量達到傳統石墨電極理論比容量——372mAh/g（毫安時/克）——的 2 倍。實驗結果還表明，這種氧化錫納米顆粒電極在 30 分鐘完成充電的條件下，比容量仍然能保持 431mAh/g，比石墨電極 10 小時充電完成所能達到的最高比容量還大。

研究人員稱，這種材料與商品化氧化錫納米顆粒的不同在於，納米顆粒之間形成了「有序網絡」，而合成方法簡單、條件温和成為了其最具吸引力的地方——大規模的工業生產較為容易實現。製備這種材料，只需要將二氧化錫前驅體加入沸水中，再轉移至爐中在 400℃條件下退火（控温緩慢冷卻）處理。
「我們並沒有使用複雜的化學合成方法，」普渡大學化學工程專業的副教授 Vilas Pol 強調，「把氧化錫前驅體放到沸水裏的處理方法簡單得像做飯一樣。前驅體是固態的錫醇鹽——和鈦的醇鹽類似，是一種價格低廉並且廣泛使用的材料。」

400℃退火處理過程使得納米顆粒自組裝形成帶有孔隙的網絡結構，這種結構為電極嵌入鋰離子後的體積膨脹留有了足夠的空間。「在納米顆粒之間留出空間是合成工藝的關鍵，」普渡大學的博士後兼助理研究員 Vinodkumar Etacheri 指出，「假如沒有適當大小的孔隙，氧化錫納米顆粒之間緊密接觸的話，電池在幾次充放電後容量就將大幅衰減。」

近幾年來，科研人員們致力於用納米結構的硅材料取代石墨，作為鋰離子電池的負極。縱然硅具有石墨 10 倍以上的理論比容量，如果不加以適當處理，製備成複合材料的話，電極材料將在多次充放電後粉化、脱落，以致喪失容量，仍難以實際應用。納米結構的硅材料可以有效地減小嵌入鋰離子後的體積膨脹，改善其循環性能，但始終無法與石墨的循環性能相媲美。

經測試，納米結構的硅材料可以在循環 6000 次後保持 85% 的初始容量。而在這篇論文中，研究人員對氧化錫納米材料進行了 100 次的充放電測試，如果這種材料也能達到上述納米硅材料的性能標準，或許氧化錫就能蓋過硅材料的勢頭，在學術界掀起一波新風潮。畢竟，氧化錫要容易合成得多。
文章來源：IEEE Spectrum


資料來源：TECH2IPO