高孔隙率的锡泡沫可以帮助打造更坚固、更持久的电池

HZB的研究人员发现，高孔隙率的锡泡沫可以减轻锂离子电池中的机械应力，使其有望成为传统石墨电极的替代品。与传统石墨电极相比，锂离子电池中的金属基电极具有更高的容量。 然而，在充电和放电循环过程中，它们往往会因机械应力而降解。

锡可以被加工成一种多孔泡沫。 HZB 的一个跨学科团队研究了这种锡泡沫（如图）作为电池电极的性能。 图片来源：B. Bouabadi / HZB

HZB 的研究人员证明，高孔隙率的泡沫锡可以更好地吸收这种应力，从而提高电极的稳定性。 这一发现使泡沫锡成为一种很有前途的锂离子电池材料。

传统的锂离子电池通常使用多层石墨电极和氧化钴对电极。 在充放电循环过程中，锂离子以最小的体积变化迁移到石墨中，从而保持了结构的完整性。 然而，石墨的容量有限，这促使人们寻找具有更高储能潜力的替代材料。

铝或锡等金属基电极具有提供更高容量的潜力。 然而，当吸收锂时，它们的体积往往会显著膨胀，这与结构变化和材料疲劳有关。 锡尤其具有吸引力，因为它每公斤的容量几乎是石墨的三倍，而且它并不是一种稀有的原材料，而是可以大量获得的。 要实现"疲劳"较少的金属电极，一种方法是对薄金属箔进行纳米结构化。 另一种方法是使用多孔金属泡沫。

柏林亥姆霍兹中心（HZB）的一个研究小组利用操作X射线成像技术研究了锡电极在放电和充电过程中的各种类型，并开发出一种创新方法来解决这一问题。 部分实验在 BESSY II 的 BAMline 进行。 高分辨率 X 射线图像是与 HZB 的成像专家 Nikolai Kardjilov 博士和 André Hilger 博士合作拍摄的。

研究的第一作者 Bouchra Bouabadi 博士说："这使我们能够跟踪所研究的锡金属基电极在充电/放电过程中的结构变化。 "她与电池专家 Sebastian Risse 博士一起探索了锡电极在运行过程中由于锂离子的不均匀吸收而导致的形态变化。

弗朗西斯科-加西亚-莫雷诺（Francisco Garcia-Moreno）博士制造出了锡电极的最佳版本：具有无数微米大小孔隙的锡泡沫。 Risse 博士说："我们能够证明，这种锡泡沫在体积膨胀过程中的机械应力大大降低。 这使得锡泡沫成为一种有趣的锂电池材料。"

加西亚-莫雷诺已经研究过许多金属泡沫，包括用于汽车工业部件的金属泡沫和用于电池电极的铝泡沫。 他说："我们在柏林工业大学开发的锡泡沫具有高多孔性，是传统电极材料的理想替代品。 锡泡沫的结构对于尽可能减少机械应力至关重要。 从经济角度来看，泡沫锡技术也很有吸引力： 虽然泡沫锡比传统锡箔更昂贵，但它提供了一种比昂贵的纳米结构更便宜的替代品，同时能够存储更多的锂离子，从而提高容量。

编译自/ScitechDaily