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納米技術(shù)致力于解決傳統(tǒng)電池領(lǐng)域的哪些重大問題？
1. 體積變化導(dǎo)致活性顆粒和電極的開裂與破碎
傳統(tǒng)嵌入式電極材料在充放電過程中的體積變化較小。而對于新型的高容量電極材料而言，由于充放電過程中，大量Li物種嵌入和脫嵌，發(fā)生巨大的體積變化。經(jīng)過多次循環(huán)之后，活性顆粒和電極材料會開裂和破碎，影響電學(xué)傳導(dǎo)，并造成容量降低，最終導(dǎo)致電池失效，大大縮短了電池的使用壽命。據(jù)報(bào)道，合金型負(fù)極材料的體積膨脹率中，Si為420%，Ge和Sn為260%，P為300%。而傳統(tǒng)的石墨負(fù)極只有10%。2
圖1. 活性顆粒和電極材料在充放電過程中開裂和破碎的過程
那么，納米技術(shù)是如何解決體積變化這個問題的呢？
Si負(fù)極的解決方案
納米材料一個天然優(yōu)勢就在于，其尺寸較小，可以在顆粒和電極層面上有效抵抗力學(xué)上的破壞。高容量電極材料有一個基本參數(shù)，叫做臨界破碎尺寸。這個參數(shù)值取決于材料的反應(yīng)類型（譬如合金反應(yīng)，轉(zhuǎn)化反應(yīng)）、力學(xué)性能、結(jié)晶度、密度、形貌以及體積膨脹率等一系列參數(shù)。而且，電化學(xué)反應(yīng)速率對于顆粒的開裂和破碎影響重大，充放電速率越快，產(chǎn)生的應(yīng)力就越大。當(dāng)顆粒尺寸小于這個臨界尺寸時，鋰化反應(yīng)引起的應(yīng)力就能得到有效控制，從而緩解顆粒的的開裂和破碎行為。
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