可以提高儲能效率的新型鋰電池粘合劑

從理論上講，硅的蓄電量是石墨的10倍，但是在實際運用中硅還不是很穩定。

據外媒近日報道，研究人員發現一種用于鋰離子電池的新型粘合劑，該物質不僅能夠提高能源儲存效率，同時還能減少有毒物質在電池組件中的使用。

這種被稱作藻酸鹽的物質是從普通、容易繁殖的褐色海藻中提取。根據現在的測試，藻酸鹽能有效提高儲電量。這個新發現是由喬治亞技術學院和克萊姆森大學共同研發。喬治亞技術學院助理教授格雷伯表示，通過藻酸鹽，我們可以研發出造價低、儲能高的電池，同時電池運行時間也將延長。這種新電池有望為構筑更為節能高效的經濟作出巨大貢獻，因為這將應用在電動汽車、互聯網和移動電話上，電池的運行時間將因此延長，而這些技術都有利于環境保護。

科學家希望能提高電池中粘合劑的效能。粘結劑是鋰離子電池中的輔助材料，它是用來將電極活性物質粘附在電極集流體上的高分子化合物。對于在充放電過程中體積會膨脹收縮的鋰離子蓄電池正負極來說，要求粘合劑對此能夠起到一定的緩沖作用，因此選擇一種合適的粘合劑很重要。目前，工業上普遍采用聚偏氟乙烯(PVDF)的鋰離子蓄電池的粘結劑，N-甲基砒咯烷酮做分散劑(NMP)。由于NMP價格較貴，揮發溫度較高，而且有機溶劑的揮發會造成一定的環境污染，于是人們嘗試其他粘結劑。

現有鋰離子電池的陽極材料以石墨化碳材料為主，從理論上來講，硅的蓄電量是石墨的10倍，但是硅的陽極在實際運用中還不是很穩定。對于粘合劑的挑戰，其中之一就是未來用在電池中的陽極必須允許硅納米粒子的膨脹收縮，并且現有電極是用聚偏氟乙烯作為粘合劑，這是用一種有毒的溶劑制成的。對比聚偏氟乙烯，藻酸鹽的一個優勢是，在制造陽極時，藻酸鹽可溶解在水中，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酸鹽和水。藻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。

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找到合適的物質是提高鋰離子電池性能的關鍵一步，這樣才能走向大規模的應用，從汽車到手機。輕量級受歡迎的電池是通過在電解質中兩極中傳遞鋰離子來實現電力供應的。在充電和用電過程中，如果鋰離子能夠更高效地往返于兩極，電池的蓄電力將更優秀。克萊姆森大學材料科學與工程學院教授克雷門森表示：“我們目前正在尋找這種天然的物質，比如那些在富含高粒子鹽水中生長的水生植物，由于電池中的電極沉浸在液體的電解質中，我們感覺到這種水生植物，特別是在特種鹽水中生長的水生植物，是自然粘合劑的很好代表。”

由于海水富含離子,研究人員認為藻酸鹽是完美的天然粘合劑。測試證明,從褐色海藻中提取的藻酸鹽確實可以作為粘合劑用在硅陽極上。通過沸騰的蘇打水就可以完成提取過程,這使得儲能成本降低，同時，存儲能量也大幅提高，由于藻酸鹽可溶于水,這意味著生產過程會更加清潔。藻酸鹽成本低廉，目前已經用于食品、醫藥制備、造紙和其他行業中。因為藻酸鹽所分布的羧基群很有序，雖然向羧甲基纖維素也可以產生羧基群，但是由于成本高，且分布不均勻，因此受歡迎程度不高。

據悉，在研究人員開發出可匹配的陰極之前，硅陽極的潛力不可能被充分發揮，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%。