前沿科技之海藻使鋰電池容量提升10倍

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如果用硅陽極取代石墨陽極，鋰離子電池每個單元就可存儲高達10倍的能量。但是，制造商不使用硅，因為隨著電池的充放電，這樣的陽極會迅速退化。
( o6 I6 h$ D: f喬治亞技術學院（Georgia Institute of Technology）和克萊姆森大學（Clemson University）的研究人員認為，他們已經發現一種成分，可以使硅陽極管用，這種成分是一種常見的結合劑和食品添加劑，來源于藻類，被用于許多家用產品中。他們說，這種材料不僅可以使鋰離子電池更有效，而且制備也更清潔，更便宜。
鋰離子電池儲存能量，需要在陽極積累離子；在使用過程中，這些離子會遷移，穿過電解質，到達陰極。這種陽極的制備，通常需要混合電活性石墨粉末與一種聚合物粘結劑，這種粘結劑通常是聚偏二氟乙烯（PVDF：polyvinylidene fluoride），溶解在稱為甲基吡咯烷酮（NMP）的溶劑中。這樣產生的懸浮液要撒到金屬箔片上，再晾干，這種箔片用于收集電流。
如果硅粒子被用作這種電活性粉末的基礎，那么，這種電池陽極就可以容納更多的離子。但是，電池充電時，硅粒子就會膨脹，體積增加到原始尺寸的四倍。這種膨脹會導致聚偏二氟乙烯粘結劑開裂，破壞陽極。在今天《科學》發表的研究中，喬治亞理工學院和克萊姆森大學的科學家表明，用藻朊酸鹽（alginate）代替聚偏氟乙烯，陽極可以膨脹，粘結劑也不會開裂。這使研究人員能夠制成穩定的硅陽極，到目前為止，已證實硅陽極容量8倍于最好的石墨陽極。
. s& F% ~! q& R, V6 G( d聚合物藻朊酸鹽來自褐藻，包括形成巨型海帶森林的那種類型。它已被廣泛用作膠凝劑（gelling agent）和食品添加劑。最初，研究人員是想采用幾種不同材料的組合，來取代聚偏氟乙烯。后來，在理論上，他們認識到，一種聚合物只要有適當的均勻結構，就可以做到這種粘結劑應做的一切，包括提供良好的支撐結構，同時又不與電解質發生化學反應。
格列勃•余新（Gleb Yushin）是佐治亞理工學院儲能納米材料中心的研究人員和主任，他說，研究小組認識到，有一些合成聚合物是由植物纖維素派生的，它們具有的結構，接近所需要的，但不夠均勻。因此，研究小組開始尋找水生植物。余新說：“我們認為，有可能已經存在一種聚合物（我們可以使用），因為這些水生植物，尤其是在海水中，都是浸泡在電解液中，”這樣，也就會發生進化演變，以避免不必要的反應。他們無意中發現了藻朊酸鹽，它的提取需要用蘇打水煮沸海帶，它具有所需的均勻結構。
0 \8 V1 C/ V3 h! y: V9 E: }- Y對比聚偏氟乙烯，藻朊酸鹽的另一個優勢是，在制造陽極時，藻朊酸鹽可溶解在水中，這就不需要用甲基吡咯烷酮，有可能形成一種更清潔的生產工藝。研究人員認為，粘結劑可以集成到現有的陽極制造系統，只需把聚偏氟乙烯和甲基吡咯烷酮必需品替換為藻朊酸鹽和水。藻朊酸鹽也可以用來改善石墨陽極的性能，帶來更多的充電和放電循環，延長電池使用壽命。
硅陽極的潛力不可能被充分發揮，直到研究人員開發出可匹配的陰極為止，這種陰極能夠處理相同數量的鋰離子。不過，即使用現有的陰極，褐藻膠-硅陽極也可使鋰離子電池容量增加30％至40％，這是余新所說。
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