石墨，和鉛筆筆尖一樣的材料，長(cháng)期以來(lái)一直是鋰離子電池的重要組成部分。但是，隨著(zhù)我們對電池要求的提高，石墨基電池已無(wú)法滿(mǎn)足我們對于電池性能的要求。因此研究人員將目光轉向了數字革命的核心材料硅。

美國太平洋西北國家實(shí)驗室（PNNL）的研究人員提出了一種新穎方法來(lái)使用這種有應用潛力但是目前仍問(wèn)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(guò)程中涉及巨大的體積變化，導致其循環(huán)穩定性較差，并且太弱而無(wú)法承受電極制造的壓力，制約了硅基負極的實(shí)際應用。

為了解決這些問(wèn)題，PNNL研究人員JiguangZhang（Jason）和XiaolinLi帶領(lǐng)的團隊開(kāi)發(fā)了一種獨特的納米結構，該結構利用碳材料在限制硅膨脹的同時(shí)還強化了硅。該研究成果發(fā)表在《NatureCommunications》上，為其他類(lèi)型的電池提供了新的設計思路，并最終幫助提高電動(dòng)汽車(chē)、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(yáng)極中。硅比石墨能吸收更多的鋰，但它的體積會(huì )膨脹300%，導致陽(yáng)極破裂。研究人員通過(guò)將小硅顆粒聚集成直徑約8微米的微球——大約一個(gè)紅細胞的大小——來(lái)制造出多孔的硅。

石墨是碳的一種導電且穩定的形式，非常適合在充電時(shí)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(huì )膨脹300%，導致負極破裂。研究人員通過(guò)將小硅顆粒聚集成直徑約8微米的微球——大約一個(gè)紅細胞的大小——來(lái)制造出多孔形式的硅。

PNNL的JasonZhang在高級電池設施中研究發(fā)現，具有多孔硅結構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(lèi)似于紗線(xiàn)球，因此微球也顯示出非凡的機械強度。

研究人員分幾個(gè)步驟制備了這種結構：首先在碳納米管上涂上氧化硅。接下來(lái)，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(shuō)：“當水蒸發(fā)時(shí)，涂覆的碳納米管會(huì )凝結成球形?！薄叭缓?，我們使用鋁和更高的熱量將氧化硅轉化為硅，然后浸入水和酸中以去除副產(chǎn)物?！睆倪@個(gè)過(guò)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，其中一個(gè)納米紗線(xiàn)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>

這預示著(zhù)商業(yè)化的發(fā)展，因為負極材料必須在制造過(guò)程中能夠承受輥子的高壓縮。下一步是開(kāi)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。