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驗室（PNNL）的研究人員提出了一種新穎方法來使用這種有應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極的儲鋰容量，被認為是下一代鋰離子電池的理想負極。然而，硅負極在鋰化/去鋰化過程中涉及巨大的體積變化，導致其循環(huán)穩(wěn)定性較差，并且太弱而無法承受電極制造的壓力，制約了硅基負極的實際應用。

為了解決這些問題，PNNL研究人員JiguangZhang（Jason）和XiaolinLi帶領的團隊開發(fā)了一種獨特的納米結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)利用碳材料在限制硅膨脹的同時還強化了硅。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計思路，并最終幫助提高電動汽車、電子設備和其他設備中鋰離子電池的能量容量。

消除硅的弊端

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

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

PNNL的JasonZhang在高級電池設施中

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％，同時容納的電荷是典型石墨負極的兩倍。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械強度。

超強微球

研究人員分幾個步驟制備了這種結(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：“當水蒸發(fā)時，涂覆的碳納米管會凝結(jié)成球形。”“然后，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。”從這個過程中產(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度。作者發(fā)現(xiàn)，其中一個納米紗線球“在非常高的壓縮力下可能會產(chǎn)生輕微的屈服，并失去一些孔隙，但它不會破裂?！?/p>

這預示著商業(yè)化的發(fā)展，因為負極材料必須在制造過程中能夠承受輥子的高壓縮。Zhang說，下一步是開發(fā)出更具可擴展性和經(jīng)濟性的制造硅微球的方法，以便它們有一天能夠應用到下一代高性能鋰離子電池中。PacificNorthwestNationalLaboratory，Carbontech