HZB的研究人員發現，高孔隙率的錫泡沫可以減輕鋰離子電池中的機械應力，使其有望成為傳統石墨電極的替代品。與傳統石墨電極相比，鋰離子電池中的金屬基電極具有更高的容量。 然而，在充電和放電循環過程中，它們往往會因機械應力而降解。

錫可以被加工成一種多孔泡沫。 HZB 的一個跨學科團隊研究了這種錫泡沫（如圖）作為電池電極的性能。 圖片來源：B. Bouabadi / HZB

 HZB 的研究人員證明，高孔隙率的泡沫錫可以更好地吸收這種應力，從而提高電極的穩定性。 這項發現使泡沫錫成為一種很有前途的鋰離子電池材料。

傳統的鋰離子電池通常使用多層石墨電極和氧化鈷對電極。 在充放電循環過程中，鋰離子以最小的體積變化遷移到石墨中，從而保持了結構的完整性。 然而，石墨的容量有限，這促使人們尋找具有更高儲能潛力的替代材料。

鋁或錫等金屬基電極具有提供更高容量的潛力。 然而，當吸收鋰時，它們的體積往往會顯著膨脹，這與結構變化和材料疲勞有關。 錫尤其具有吸引力，因為它每公斤的容量幾乎是石墨的三倍，而且它並不是一種稀有的原料，而是可以大量獲得的。 要實現”疲勞”較少的金屬電極，一種方法是對薄金屬箔進行奈米結構化。 另一種方法是使用多孔金屬泡沫。

柏林亥姆霍茲中心（HZB）的一個研究小組利用操作X射線成像技術研究了錫電極在放電和充電過程中的各種類型，並開發出一種創新方法來解決這個問題。 部分實驗在BESSY II 的BAMline 進行。 高解析度X 光影像是與HZB 的成像專家Nikolai Kardjilov 博士和André Hilger 博士合作拍攝的。

研究的第一作者 Bouchra Bouabadi 博士說：”這使我們能夠追蹤所研究的錫金屬基電極在充電/放電過程中的結構變化。”她與電池專家Sebastian Risse 博士一起探索了錫電極在運行過程中由於鋰離子的不均勻吸收而導致的形態變化。

弗朗西斯科-加西亞-莫雷諾（Francisco Garcia-Moreno）博士製造出了錫電極的最佳版本：具有無數微米大小孔隙的錫泡沫。 Risse 博士說：”我們能夠證明，這種錫泡沫在體積膨脹過程中的機械應力大大降低。 這使得錫泡沫成為一種有趣的鋰電池材料。”

加西亞-莫雷諾已經研究過許多金屬泡沫，包括用於汽車工業部件的金屬泡沫和用於電池電極的鋁泡沫。 他說：”我們在柏林工業大學開發的錫泡沫具有高多孔性，是傳統電極材料的理想替代品。錫泡沫的結構對於盡可能減少機械應力至關重要。從經濟角度來看，泡沫錫技術也很有吸引力： 雖然泡沫錫比傳統錫箔更昂貴，但它提供了一種比昂貴的奈米結構更便宜的替代品，同時能夠儲存更多的鋰離子，同時能夠儲存容量更多的鋰離子，從而提高容量更多的鋰離子。

編譯自/ ScitechDaily