通过寻找大自然寻求解决方案，研究人员已经发现了一种用于锂离子电池电极的有前途的新型粘合剂材料，它不仅可以增加能量储存，而且还可以消除现在用于制造组件的有毒化合物的使用。
这种物质被称为海藻酸盐，是从常见的快速生长的褐藻中提取的。到目前为止，在测试中，它有助于提高现有电池中使用的石墨基电极和为未来几代电池开发的硅基电极的能量存储和输出。
这项研究是克莱姆森大学和佐治亚理工学院科学家和工程师合作的成果，将于9月8日在“ 科学快报”上发表，该杂志是“科学”期刊的在线出版物，该杂志在期刊之前发表了选定的论文。该项目得到了两所大学的支持，以及本田启动资助和美国宇航局的资助。
乔治亚理工学院材料科学与工程学院的助理教授Gleb Yushin说：“制造成本更低的电池可以在海藻酸盐的帮助下储存更多的能量并持续更长时间，这可以为社区带来巨大而持久的影响。” “这些电池可以通过扩展范围的电动汽车，以及使用更长时间电池供电的手机和笔记本电脑，为建设更节能的经济做出贡献 - 所有这些都采用环保的制造技术。”
科学家们与克莱姆森大学的Igor Luzinov合作，研究了改善电池中粘合剂材料的方法。粘合剂是悬浮硅或石墨颗粒的关键组分，所述硅或石墨颗粒主动地与提供电池电力的电解质相互作用。
克莱姆森材料科学与工程学院的教授Luzinov说：“我们专门研究了在自然系统中进化的材料，例如在高浓度离子的盐水中生长的水生植物。” “由于电池中的电极浸没在液体电解质中，我们认为水生植物 - 特别是在如盐水这样的侵蚀性环境中生长的植物 - 将成为天然粘合剂的极佳候选者。”
寻找合适的材料是提高锂离子电池性能的重要一步，锂离子电池对汽车和手机等广泛应用至关重要。流行的轻质电池通过液体电解质在两个电极(阴极和阳极)之间转移锂离子。在充电和放电循环期间锂离子越有效地进入两个电极，电池的容量就越大。
现有的锂离子电池依赖于由石墨(一种碳)制成的阳极。硅基阳极理论上可以提供比石墨阳极高十倍的容量改进，但到目前为止硅基阳极还不够稳定，不能用于实际应用。
粘合剂材料的挑战之一是在未来电池中使用的阳极必须允许硅纳米颗粒的膨胀和收缩，并且现有电极使用使用有毒溶剂制造的聚偏二氟乙烯粘合剂。
藻酸盐 - 已经用于食品，药品，纸张和其他应用的低成本材料 - 因其均匀分布的羧基而具有吸引力。其他材料，例如羧甲基纤维素，可以加工成包括羧基，但这增加了它们的成本并且不能提供藻酸盐的自然均匀分布。
通过简单的苏打(Na2CO3)工艺从海藻中提取藻酸盐，产生均匀的材料。然后可以通过环境友好的方法生产阳极，该方法使用水基浆料来悬浮硅或石墨纳米颗粒。Yushin说，新的藻酸盐电极与现有的生产技术兼容，可以集成到现有的电池设计中。
使用藻酸盐可以帮助解决限制使用高能硅阳极的最困难的问题之一。当电池开始工作时，锂离子电解质的分解在阳极表面上形成固体电解质界面。界面必须稳定并允许锂离子通过，但限制新鲜电解质的流动。
对于体积不变的石墨颗粒，界面保持稳定。然而，因为硅纳米颗粒的体积在电池的操作期间改变，所以可以形成裂缝并允许额外的电解质分解，直到允许离子流动的孔堵塞，导致电池失效。藻酸盐不仅将硅纳米颗粒彼此结合并与阳极的金属箔结合，而且它们还涂覆硅纳米颗粒本身并为界面提供强有力的支持，防止降解。
到目前为止，研究人员已经证明，藻酸盐可以产生电池阳极，其可逆容量是目前最好的石墨电极的八倍。阳极还表现出接近100%的库仑效率，并且已经运行了超过1,000次充放电循环而没有失效。
对于未来，研究人员 - 除Yushin和Luzinov外，还包括佐治亚理工学院的Igor Kovalenko，Alexandre Magasinski，Benjamin Hertzberg和Zoran Milicev; 来自克莱姆森的Bogdan Zdyrko和Ruslan Burtovyy希望探索其他海藻酸盐，提高其电极性能并更好地了解材料的工作原理。
藻酸盐是天然多糖，有助于使褐藻能够产生长达60米的强茎。海藻生长在海洋中广阔的森林中，也可以在废水池中养殖。
“褐藻含有丰富的海藻酸盐，是地球上生长最快的植物之一，”Luzinov说，他也是克莱姆森光学材料科学与工程技术中心(COMSET)的成员。“在这种情况下，我们在一个地方找到了所有必要的属性：这种材料不仅可以提高电池性能，而且生产起来相对快速和便宜，并且比一些材料安全得多。现用了。
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