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(zu)成部分。但是(shi)，隨著我們對電(dian)池要求的提高，石墨(mo)基電(dian)池已無法滿足我們對于電(dian)池性(xing)能的要求。因此研究(jiu)人員將目光轉向(xiang)了(le)數字革(ge)命(ming)的核(he)心材(cai)料硅。

美國太平洋西北國家實驗室（PNNL）的(de)研究人員提出(chu)了(le)一(yi)種新穎方法(fa)來使用這(zhe)種有應用潛力但是(shi)目前(qian)仍問題的(de)儲能材料。硅被用于電腦芯片和許多其他產品，因具有十(shi)倍于石墨負極的(de)儲鋰容量，被認(ren)為是(shi)下(xia)一(yi)代鋰離子(zi)電池的(de)理(li)想負極。然(ran)而(er)，硅負極在鋰化/去鋰化過程中涉及巨(ju)大的(de)體積(ji)變化，導致其循環穩定性較差，并且太弱而(er)無法(fa)承受電極制(zhi)造的(de)壓力，制(zhi)約了(le)硅基負極的(de)實際應用。

為(wei)了解(jie)決這些問(wen)題，PNNL研究(jiu)人(ren)員(yuan)JiguangZhang（Jason）和XiaolinLi帶(dai)領的團隊(dui)開(kai)發了一(yi)種獨特的納米(mi)結構，該(gai)結構利用碳材料在(zai)限制硅(gui)膨脹的同時(shi)還(huan)強化了硅(gui)。該(gai)研究(jiu)成果發表在(zai)《NatureCommunications》上，為(wei)其(qi)他類(lei)型(xing)的電(dian)池提供了新的設計(ji)思路，并最終幫助提高電(dian)動汽車、電(dian)子設備(bei)和其(qi)他設備(bei)中(zhong)鋰離子電(dian)池的能量容量。

消除硅的弊端

作為一種(zhong)導電且穩定的(de)碳，石墨非常適合在電池(chi)充電時(shi)將鋰離(li)子打包到電池(chi)的(de)陽極中。硅比石墨能(neng)吸收更多的(de)鋰，但它(ta)的(de)體積(ji)會(hui)膨脹300%，導致陽極破裂。研究人(ren)員通過將小(xiao)硅顆粒(li)聚集成直徑約(yue)8微米(mi)的(de)微球(qiu)——大約(yue)一個紅(hong)細胞的(de)大小(xiao)——來制造出多孔的(de)硅。

石墨(mo)是碳的(de)(de)一種導電且穩定的(de)(de)形式，非常適合在充電時將(jiang)鋰離子填(tian)充到電池的(de)(de)負極中。硅(gui)(gui)可以比(bi)石墨(mo)吸收更多的(de)(de)鋰，但它的(de)(de)體積往往會(hui)膨脹300%，導致負極破裂。研究(jiu)人(ren)員通過將(jiang)小硅(gui)(gui)顆粒聚集(ji)成直徑約8微(wei)(wei)米的(de)(de)微(wei)(wei)球(qiu)——大約一個(ge)紅細胞的(de)(de)大小——來(lai)制造出多孔(kong)形式的(de)(de)硅(gui)(gui)。

PNNL的(de)JasonZhang在高級電(dian)(dian)池設(she)施中研究發現，具有多孔(kong)硅結構的(de)電(dian)(dian)極(ji)的(de)厚度(du)變(bian)化(hua)小于(yu)(yu)20％，同時(shi)容納(na)的(de)電(dian)(dian)荷是(shi)典型(xing)石墨負極(ji)的(de)兩倍。但是(shi)，與(yu)以前版(ban)本的(de)多孔(kong)硅不同，由(you)于(yu)(yu)碳納(na)米管使微球類似于(yu)(yu)紗線(xian)球，因此(ci)微球也顯示出非凡的(de)機械強度(du)。

研究人員分幾(ji)個步驟制(zhi)備了這(zhe)種結構：首(shou)先在碳納米(mi)(mi)管上涂(tu)上氧化(hua)硅(gui)。接(jie)下來(lai)，將納米(mi)(mi)管放入油(you)和水的乳液中。然后(hou)將它們加(jia)熱至沸騰(teng)。

Li說(shuo)：“當水蒸發時，涂覆的(de)碳(tan)納米(mi)管(guan)會凝(ning)結成球形。”“然(ran)(ran)后(hou)，我們(men)使用鋁(lv)和(he)更高的(de)熱量將氧化硅轉化為硅，然(ran)(ran)后(hou)浸入水和(he)酸中以去除副(fu)產(chan)物。”從(cong)這個過(guo)程中產(chan)生的(de)是一種由碳(tan)納米(mi)管(guan)表面的(de)硅微粒(li)組成的(de)粉末。

利用原子(zi)力顯(xian)微(wei)鏡探(tan)針測試了多孔硅球(qiu)的(de)強度。作者發現，其中一個(ge)納米(mi)紗線(xian)球(qiu)“在非常高的(de)壓縮力下可(ke)能會產生(sheng)輕微(wei)的(de)屈服，并(bing)失(shi)去(qu)一些孔隙，但(dan)它不會破裂。”

這預示(shi)著商業化的(de)發(fa)展(zhan)，因為負極材料必須在制造過程中能夠(gou)承受輥子的(de)高壓縮。下一步是(shi)開發(fa)出更具可擴展(zhan)性和(he)經濟性的(de)制造硅微球的(de)方法，以便它們有一天(tian)能夠(gou)應用到下一代高性能鋰離子電池中。