跳向用于鋰離子電池的堅(jiān)固的無(wú)粘合劑金屬磷化物電極

洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種新的量子計(jì)算算法，可以更清楚地理解量子到經(jīng)典的過(guò)渡，這有助于模擬量子和經(jīng)典世界(如生物蛋白質(zhì))的尖端系統(tǒng)，并解決有關(guān)量子力學(xué)如何應(yīng)用于大型物體。

“ 當(dāng)你向量子系統(tǒng)添加越來(lái)越多的粒子時(shí)，就發(fā)生了量子到經(jīng)典的轉(zhuǎn)換，”洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室凝聚態(tài)物質(zhì)和復(fù)雜系統(tǒng)物理學(xué)組的帕特里克科爾斯說(shuō)，“這樣奇怪的量子效應(yīng)就會(huì)消失系統(tǒng)開(kāi)始表現(xiàn)得更經(jīng)典。對(duì)于這些系統(tǒng)，基本上不可能使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)研究量子到經(jīng)典的轉(zhuǎn)換。我們可以用我們的算法和一個(gè)由幾百個(gè)量子比特組成的量子計(jì)算機(jī)來(lái)研究它，我們根據(jù)該領(lǐng)域目前的進(jìn)展，預(yù)計(jì)將在未來(lái)幾年內(nèi)推出。“

回答關(guān)于量子到經(jīng)典轉(zhuǎn)型的問(wèn)題是非常困難的。對(duì)于多于幾個(gè)原子的系統(tǒng)，問(wèn)題迅速變得棘手。方程的數(shù)量隨著每個(gè)加入的原子呈指數(shù)增長(zhǎng)。例如，蛋白質(zhì)由長(zhǎng)串的分子組成，這些分子可能成為重要的生物成分或疾病來(lái)源，這取決于它們?nèi)绾握郫B。雖然蛋白質(zhì)可以是相對(duì)較大的分子，但它們足夠小，以至于當(dāng)試圖理解和預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)如何折疊時(shí)，量子到經(jīng)典的轉(zhuǎn)變以及能夠處理它的算法變得重要。

為了研究量子計(jì)算機(jī)上量子到經(jīng)典轉(zhuǎn)換的各個(gè)方面，研究人員首先需要一種方法來(lái)表征量子系統(tǒng)與經(jīng)典行為的接近程度。量子物體具有粒子和波的特征。在某些情況下，它們像小型臺(tái)球一樣相互作用，而在另一些情況下，它們相互干擾的方式與海洋上的波浪結(jié)合起來(lái)產(chǎn)生更大的波浪或相互抵消相同。波狀干涉是量子效應(yīng)。幸運(yùn)的是，量子系統(tǒng)可以使用直觀的經(jīng)典概率來(lái)描述，而不是在沒(méi)有干擾的情況下使用更具挑戰(zhàn)性的量子力學(xué)方法。

LANL組的算法確定量子系統(tǒng)與經(jīng)典行為的接近程度。結(jié)果是他們可以用來(lái)搜索量子系統(tǒng)中的經(jīng)典性的工具，并理解量子系統(tǒng)最終在我們的日常生活中對(duì)我們來(lái)說(shuō)是如何經(jīng)典的。

豐橋技術(shù)大學(xué)的研究人員通過(guò)氣溶膠沉積成功地制造了用于鋰離子電池的無(wú)粘結(jié)劑磷化錫(Sn 4 P 3)/碳(C)復(fù)合薄膜電極。通過(guò)沖擊固結(jié)將Sn 4 P 3 / C顆粒直接固化在金屬基材上，而不使用粘合劑。通過(guò)復(fù)合碳和用于鋰提取的受控電勢(shì)窗改善了充電和放電循環(huán)穩(wěn)定性。這一發(fā)現(xiàn)有助于實(shí)現(xiàn)更高容量的先進(jìn)鋰離子電池。

鋰離子(Li-ion)電池廣泛用作便攜式電子設(shè)備中的電源。它們最近引起了相當(dāng)大的關(guān)注，因?yàn)樗鼈冇锌赡鼙淮笠?guī)模用作電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，以及作為可再生能源的固定式能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)具有更高能量密度的先進(jìn)鋰離子電池，需要具有更高容量的陽(yáng)極材料。雖然Li-Si和Li-Sn等一些Li合金的理論容量遠(yuǎn)高于石墨(理論重量容量= 372 mAh / g)，但已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究，但它們通常會(huì)導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性差。充電和放電反應(yīng)過(guò)程中體積變化很大。

磷化錫(Sn 4 P 3，理論重量容量= 1255 mAh / g)具有層狀結(jié)構(gòu)，通常用作鋰離子電池的高容量合金基陽(yáng)極材料，平均操作電位為-0.5 V vs李/李+。報(bào)告表明，用納米結(jié)構(gòu)的Sn 4 P 3顆粒絡(luò)合碳材料顯著提高了循環(huán)穩(wěn)定性。通常，電池中使用的電極通過(guò)在金屬箔上涂覆包含電極活性材料，導(dǎo)電碳添加劑和粘合劑的漿料來(lái)制造。對(duì)于碳絡(luò)合的Sn 4 P 3(Sn 4 P.3 / C)陽(yáng)極(例如文獻(xiàn)中報(bào)道的那些)，由于使用大量導(dǎo)電添加劑和粘合劑以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定循環(huán)，電極中活性材料的重量分?jǐn)?shù)降低了約60-70%。因此，每個(gè)電極重量的重量比容量(包括導(dǎo)電碳添加劑和粘合劑的重量比)顯著降低。

豐橋技術(shù)大學(xué)電氣與電子信息工程系的研究人員通過(guò)氣溶膠沉積(AD)成功地制造了用于鋰離子電池陽(yáng)極的無(wú)粘結(jié)劑Sn 4 P 3 / C復(fù)合薄膜電極。在該過(guò)程中，使用簡(jiǎn)單的球磨方法將Sn 4 P 3顆粒與乙炔黑復(fù)合; 然后，通過(guò)沖擊固結(jié)將得到的Sn 4 P 3 / C顆粒直接固化在金屬基材上，而不添加任何其他導(dǎo)電添加劑或粘合劑。該方法能夠提高Sn 4 P 3的分?jǐn)?shù)在復(fù)合材料中達(dá)到80%以上。此外，復(fù)合碳的結(jié)構(gòu)變化減小，并且對(duì)于鋰提取反應(yīng)的復(fù)合碳和受控電勢(shì)窗都提高了循環(huán)穩(wěn)定性。Sn的4 P 3 / C復(fù)合材料由AD工藝制造薄膜保持大約730毫安克重量容量-1，500毫安克-1和400毫安克-1，在100 個(gè)，200 個(gè)和400 個(gè)分別周期， 。

第一作者Toki Moritaka被引述說(shuō)，“盡管優(yōu)化沉積條件是困難的，但是獲得了有關(guān)提高由AD工藝制造的Sn 4 P 3 / C復(fù)合薄膜電極的循環(huán)穩(wěn)定性的有用信息。復(fù)合碳不起作用僅作為抑制由Sn 4 P 3體積變化引起的電極坍塌的緩沖劑，而且還作為復(fù)合物中霧化活性材料顆粒之間的電子傳導(dǎo)路徑。

Sn4P3 / C復(fù)合薄膜在不同電池電壓范圍為0 V至0.75 V，1 V至1.25 V(左)的長(zhǎng)期循環(huán)性能。還示出了在0V-0.75V(中間)和0V-1.25V(右)下循環(huán)的Sn4P3 / C復(fù)合膜表面的SEM圖像。圖片來(lái)源：(c)豐橋技術(shù)大學(xué)。

“這個(gè)過(guò)程是增加每個(gè)電極重量的容量值的有效手段。我們相信，AD中復(fù)合薄膜制造中使用的Sn 4 P 3 / C中碳的大小和含量可以改善電化學(xué)性能。目前，我們正在努力優(yōu)化復(fù)合碳含量并增加復(fù)合膜厚度，“副教授Ryoji Inada表示。

這項(xiàng)研究的結(jié)果可能有助于實(shí)現(xiàn)更高容量的先進(jìn)鋰離子電池。此外，由于不僅可以通過(guò)類似的合金化和脫合金反應(yīng)將Li和Na儲(chǔ)存在Sn 4 P 3中并從中提取，因此Sn 4 P 3電極可以以低得多的成本用于下一代Na離子電池中。