一种可用作锂离子电池电极材料的玻璃会大大改善这些电池的容量和能量密度

在这方面，研究人员正在努力寻找具有更高能量密度和充电容量的新材料，但这些材料并不比现有的锂离子电池更重或更大。今天的电池为我们的智能手机，电动汽车和笔记本电脑提供可靠的电源，但无法满足日益增长的需求。电化学材料研究所的科学家SemihAfyon博士总结了推动电池研究的基本理念：“我们需要的是新化学和新型化合物，以获得安全，更好，更持久的电池。”

玻璃颗粒代替晶体

由Afyon和ReinhardNesper领导的ETH研究人员，化学荣誉教授，现在已经发现了。在他们几年的研究过程中，他们发现了一种可能具有双倍电池容量的材料：钒酸盐-硼酸盐玻璃。研究人员正在使用玻璃作为阴极材料，最近在自然出版商的期刊“科学报告”中报道。

该材料由氧化钒(V2O5)和硼酸锂(LiBO2)前体制成，并涂有还原氧化石墨(RGO)以增强材料的电极性能。研究人员使用钒基化合物，因为钒是一种具有各种氧化态的过渡金属，可以利用它来达到更高的容量。在结晶形式中，五氧化二钒可以带三个带正电荷的锂离子-比目前在阴极中使用的材料(例如磷酸铁锂)多三倍。

然而，结晶五氧化二钒不能释放所有插入的锂离子，并且仅允许几个稳定的充电/放电循环。这是因为一旦锂离子在加载过程中穿透晶格，晶格就会膨胀。结果，电极颗粒整体膨胀，即，一旦电荷离开颗粒，其体积增加仅再次收缩。该过程可能导致电极材料在结构变化和接触损失方面的不稳定性。

因此，研究人员必须找到一种方法来保持初始材料的结构，同时最大化容量并保持其“接受”电荷的能力，这就是他们设计使用钒作为玻璃而不是其晶体形式的想法。。在玻璃中，即所谓的“无定形”材料，原子不像它们处于结晶状态时那样排列成规则的晶格。相反，原子存在于野生混乱状态。

廉价而简单的生产

为了生产阴极材料，Afyon和他的同事将粉末状五氧化二钒与硼酸盐化合物混合。“硼酸盐是一种玻璃形成剂;这就是使用硼酸盐化合物的原因，所得到的玻璃化合物是一种新型材料，最后都不是V2O5和LiBO2，”研究人员说。材料科学家在900°C下将粉末熔化并尽可能快地冷却熔体以形成玻璃。然后在使用前将所得的纸薄片粉碎成粉末，因为这增加了它们的表面积并产生了孔隙空间。“钒酸盐-硼酸盐玻璃的一个主要优点是制造简单且成本低廉，”Afyon说。预计这将增加寻找工业应用的机会。

为了生产有效的电极，研究人员用还原的氧化石墨(RGO)涂覆钒酸盐-硼酸盐粉末。这增加了导电性，同时保护了电极颗粒。然而，当它们通过电极传输时，它不会阻碍电子和锂离子。

Afyon使用这种钒酸盐-硼酸盐玻璃粉末作为电池阴极，然后将其放入纽扣电池原型中进行多次充电/放电循环。

功率高达两倍

在使用钒酸盐-硼酸盐电极进行的初始试验中，该电极不是用涂有RGO的材料制成的，当电流速率增加到400毫安/克时，放电容量在30次充电/放电循环后急剧下降。相反，当使用RGO涂层时，容量在高速率下非常稳定，并且在超过100次充电/放电循环后仍保持在一致的高水平。

具有RGO涂覆的钒酸盐-硼酸盐玻璃电极的一个电池表现出约1000瓦时/千克的能量密度。它实现了远远超过300mAh/g的放电容量。最初，该数字甚至达到400mAh/g，但在充电/放电循环过程中下降。

“这足以为移动电话供电，比现在的锂离子电池长1.5到2倍，”Afyon估计。这也可以将电动车的行驶里程增加到标准量的1.5倍。这些数字仍然是理论上的。

专利和进一步发展

研究人员已经为他们的新材料申请了专利。他们还与行业合作伙伴合作开发。“我们的重点是实际应用以及基础研究，”研究人员说。一个新的概念通常需要大约10到20年才能在市场上占据一席之地。

研究人员对钒酸盐-硼酸盐玻璃的积极成果鼓励他们继续在这一领域进行研究。Afyon目前担任由电化学材料教授JenniferRupp领导的研究联盟的项目负责人，专注于开发创新的固态电池。他们已经在该系统中使用和测试了钒酸盐-硼酸盐电极，他们的下一步是优化系统。特别是，它们必须显着增加充电/放电循环次数，这可以通过改进电池和电极设计以及使用除还原氧化石墨之外的涂层来实现。

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