奈米科學：工程師用玻璃陶瓷製造紙狀電池電極！

電池電極具有所有正確的特性。它比其他電池電極輕10％以上。它具有接近100％的迴圈效率，超過1000次充電放電迴圈。它由低成本材料製成，是矽樹脂行業的副產品。它的工作溫度低至零下15攝氏度，這使其具有眾多的空中和太空應用，該研究發表在Nature Communications的文章“用於長週期鋰離子電池的碳氧化矽玻璃 - 石墨烯複合紙電極”中，Singh的研究團隊一直在探索電池和電極設計的新材料組合。由於在高質量負載下出現的挑戰 - 例如每體積低容量，迴圈效率差和化學機械不穩定性，很難將石墨烯和矽結合到實際電池中。

Singh的團隊透過製造一種自支撐且隨時可用的電極來解決這些挑戰，該電極由一種稱為碳氧化矽的玻璃陶瓷組成，夾在大片化學改性石墨烯或CMG之間。該電極具有大約600毫安 - 小時/克-400毫安 - 小時/立方厘米的高容量，其來自碳氧化矽。紙狀設計由20％化學改性的石墨烯薄片製成，紙質設計與現今電池中使用的電極明顯不同，因為它消除了金屬箔支撐和聚合物膠 - 這兩者都不利於電池的容量，”Singh說。

Singh團隊開發的設計節省了約10％的電池總重量。結果是一種輕質電極，能夠以超過1000次充電放電迴圈的方式儲存鋰離子和電子，迴圈效率接近100％。Singh說，最重要的方面是材料能夠在實際水平上展示出這樣的效能，Singh說，紙電極電池還能夠提供每克200毫安小時的容量，即使在零下15攝氏度下儲存約一個月，考慮到大多數電池在如此低的溫度下都不能發揮作用，這是非常了不起的。

“這表明矽玻璃和石墨烯電極的可充電電池也適用於在高空飛行，甚至可能是空間應用的無人駕駛飛行器，”辛格說。

辛格說，碳氧化矽材料本身很特別。它是透過將液體樹脂加熱到其分解並轉變成尖銳的玻璃狀顆粒的點來製備的。矽，碳和氧原子重新排列成隨機的3-D結構，任何多餘的碳沉澱到細胞區域。這種開放的3-D結構為可逆鋰儲存和鋰離子運輸的平滑通道創造了大的位置。鋰儲存的這種結構和機制不同於晶體矽電極。預計碳氧化矽電極成本低，因為原料 - 液體樹脂是矽氧烷工業的副產品。

展望未來，辛格和他的團隊希望解決實際挑戰。Singh的目標是以更大的尺寸生產這種電極材料。例如，現今的鉛筆電池使用長度超過一英尺的石墨塗層銅箔電極。該團隊還希望進行機械彎曲測試，以瞭解它們如何影響效能引數，最終，我們希望與業界合作，探索鋰離子電池全電池的生產，”辛格說。“碳氧化矽也可以透過3D打印製備，這是我們感興趣的另一個領域。