在硅線鋰離子電池中，電解質會剝離硅，這會阻礙電子通路并大大降低這些有前途的設備的充電能力。

新論文（自然納米技術，“Progressivegrowthofthesolid–electrolyteinterphasetowardstheSianodeinteriorcausescapacityfading”）確定該過程開辟了新的研究途徑，最終利用硅的巨大潛力徹底改變高容量、持久的從手機到汽車的各種電池。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室工作人員科學家、論文的通訊作者JinkyoungYoo說，有了這一新認識，我們建議通過開發(fā)一種將硅與電解質隔離的涂層方法來提高硅納米線鋰離子電池的性能。Yoo是綜合技術中心(CINT)的半導體納米材料種植者，該中心是洛斯阿拉莫斯和桑迪亞國家實驗室的能源部用戶設施。

在不銹鋼圓盤上生長的硅納米線的照片（從左上角順時針）以側視圖、頂視圖和宏觀視圖顯示。磁盤大約有四分之一大小。NatureNanotech的新研究發(fā)現了限制硅在鋰離子電池中使用的過程，并確定了克服這些問題的研究途徑。具有硅陽極的電池的電存儲容量是具有典型石墨基陽極的電池的10倍。（圖片：洛斯阿拉莫斯國家實驗室）

該研究由來自一系列國家實驗室和大學的合作者進行，通過低溫掃描透射電子顯微鏡（一種先進的分析算法）集成了敏感元素斷層掃描，并以3D方式揭示了硅的相關結構和化學演化以及固體電解質的相互作用。

Yoo在不銹鋼圓盤上種植了一片硅納米線“森林”，作為電池實驗的陽極。洛斯阿拉莫斯的CINT設施具有獨特的能力，可以直接在陽極上生長這種硅線。

工業(yè)和國家實驗室研究人員都認為硅是下一代鋰離子電池實際應用中最有前途的高容量負極材料。電池包括將電子帶入的陽極和將電子移出以產生電流的陰極。

使用基于石墨的陽極，鋰離子電池使手機和電動汽車的續(xù)航里程超過400英里。使用硅陽極開發(fā)下一代，已知其存儲容量是石墨陽極電池的10倍，一直受到反復充電后容量衰減的阻礙。

在100次充電/放電循環(huán)后，使用硅的電池只能管理其原始存儲容量的60%，對于日常技術來說不夠好。

直到現在，沒有人知道確切的原因。

在早期的應用中，當硅球形顆粒暴露在電解質中并充電時，它們會膨脹300%并破壞陽極。在所有類型的電池中，將陽極暴露于電解質的過程會產生形成SEI的反應。SEI對于電池穩(wěn)定性至關重要，SEI對于電池中的電化學反應至關重要，并且關鍵地控制著電池的穩(wěn)定性。

當SEI與陽極分離時，就像它與硅一樣，電接觸斷開，電池容量下降。

我們曾經認為納米線可以解決硅在電解質中膨脹的問題，因為一根線可以拉長，但結果我們不明白發(fā)生了什么，Yoo解釋說。

Yoo說，新的研究發(fā)現，電解質會滲透到硅的各處，形成SEI口袋，破壞電子通路。這個過程斷開了陽極中無法增加電池容量的孤立硅島。Yoo說，下一個研究步驟是涂覆硅顆粒或納米線，以在電解質存在的情況下保持硅的完整性。