石墨，和鉛筆筆尖一樣的材料，長期以來一直是鋰離子電池的重要組成部分。但是，隨著我們對電池要求的提高，石墨基電池已無法滿足我們對于電池性能的要求。因此研究人員將目光轉(zhuǎn)向了數(shù)字革命的核心材料——硅。

美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）的研究人員提出了一種新穎方法來使用這種有應(yīng)用潛力但是目前仍問題的儲能材料。硅被用于電腦芯片和許多其他產(chǎn)品，因具有十倍于石墨負(fù)極的儲鋰容量，被認(rèn)為是下一代鋰離子電池的理想負(fù)極。然而，硅負(fù)極在鋰化/去鋰化過程中涉及巨大的體積變化，導(dǎo)致其循環(huán)穩(wěn)定性較差，并且太弱而無法承受電極制造的壓力，制約了硅基負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用。

為了解決這些問題，PNNL研究人員JiguangZhang（Jason）和XiaolinLi帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)利用碳材料在限制硅膨脹的同時(shí)還強(qiáng)化了硅。該研究成果發(fā)表在《NatureCommunications》上，為其他類型的電池提供了新的設(shè)計(jì)思路，并最終幫助提高電動(dòng)汽車、電子設(shè)備和其他設(shè)備中鋰離子電池的能量容量。

消除硅的弊端

作為一種導(dǎo)電且穩(wěn)定的碳，石墨非常適合在電池充電時(shí)將鋰離子打包到電池的陽極中。硅比石墨能吸收更多的鋰，但它的體積會(huì)膨脹300%，導(dǎo)致陽極破裂。研究人員通過將小硅顆粒聚集成直徑約8微米的微球——大約一個(gè)紅細(xì)胞的大小——來制造出多孔的硅。

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石墨是碳的一種導(dǎo)電且穩(wěn)定的形式，非常適合在充電時(shí)將鋰離子填充到電池的負(fù)極中。硅可以比石墨吸收更多的鋰，但它的體積往往會(huì)膨脹300%，導(dǎo)致負(fù)極破裂。研究人員通過將小硅顆粒聚集成直徑約8微米的微球——大約一個(gè)紅細(xì)胞的大小——來制造出多孔形式的硅。

PNNL的JasonZhang在高級電池設(shè)施中

來源：PNNL

Zhang說：“例如，像石頭這樣的固體材料，如果體積膨脹太大，就會(huì)破裂?！薄拔覀儎?chuàng)造的東西更像海綿，內(nèi)部有空間吸收膨脹。”

研究發(fā)現(xiàn)，具有多孔硅結(jié)構(gòu)的電極的厚度變化小于20％，同時(shí)容納的電荷是典型石墨負(fù)極的兩倍。但是，與以前版本的多孔硅不同，由于碳納米管使微球類似于紗線球，因此微球也顯示出非凡的機(jī)械強(qiáng)度。

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超強(qiáng)微球

研究人員分幾個(gè)步驟制備了這種結(jié)構(gòu)：首先在碳納米管上涂上氧化硅。接下來，將納米管放入油和水的乳液中。然后將它們加熱至沸騰。

Li說：“當(dāng)水蒸發(fā)時(shí)，涂覆的碳納米管會(huì)凝結(jié)成球形?！薄叭缓?，我們使用鋁和更高的熱量將氧化硅轉(zhuǎn)化為硅，然后浸入水和酸中以去除副產(chǎn)物?！睆倪@個(gè)過程中產(chǎn)生的是一種由碳納米管表面的硅微粒組成的粉末。

利用原子力顯微鏡探針測試了多孔硅球的強(qiáng)度。作者發(fā)現(xiàn)，其中一個(gè)納米紗線球“在非常高的壓縮力下可能會(huì)產(chǎn)生輕微的屈服，并失去一些孔隙，但它不會(huì)破裂?！?/p>

這預(yù)示著商業(yè)化的發(fā)展，因?yàn)樨?fù)極材料必須在制造過程中能夠承受輥?zhàn)拥母邏嚎s。Zhang說，下一步是開發(fā)出更具可擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)性的制造硅微球的方法，以便它們有一天能夠應(yīng)用到下一代高性能鋰離子電池中。PacificNorthwestNationalLaboratory，Carbontech