您可以在鉛筆的筆尖找到的相同材料-石墨-長期以來一直是當(dāng)今鋰離子電池的關(guān)鍵組件。但是，隨著我們對這些電池的依賴增加，石墨基電極將需要升級。為此，科學(xué)家正在尋找數(shù)字革命核心要素：硅。

美國能源部太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們提出了一種新穎的方法來使用這種有前途但有問題的儲能成分。用于計(jì)算機(jī)芯片和許多其他產(chǎn)品的硅具有吸引力，因?yàn)榕c石墨相比，硅每克可以容納10倍的電荷。問題是，硅在遇到鋰時(shí)會大大膨脹，并且太弱而無法承受電極制造的壓力。

為了解決這些問題，由PNNL研究人員張繼光(Jason)張和李小林帶領(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)在限制硅膨脹的同時(shí)還用碳強(qiáng)化了硅。他們的工作最近發(fā)表在《自然通訊》雜志上，可以為其他類型的電池提供新的電極材料設(shè)計(jì)信息，并最終幫助提高電動汽車，電子設(shè)備和其他設(shè)備中鋰離子電池的能量容量。

從硅中消除弊端

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陽極中。硅可以吸收比鋰更多的鋰，但硅往往會膨脹約300%的體積，導(dǎo)致陽極破裂。研究人員通過將小的硅顆粒聚集成直徑約8微米的微球(大致相當(dāng)于一個(gè)紅血球的大小)來制造多孔形式的硅。

張說：“例如，像石頭這樣的固體材料，如果體積膨脹太大，就會破裂。”“我們創(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陽極的兩倍。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。

超強(qiáng)微球

研究人員分幾步創(chuàng)建了結(jié)構(gòu)，首先是用氧化硅涂覆碳納米管。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。

李說：“當(dāng)水蒸發(fā)時(shí)，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。”從該過程中產(chǎn)生的是由碳納米管表面上的微小硅顆粒組成的粉末。

使用原子力顯微鏡的探針測試了多孔硅球的強(qiáng)度。作者發(fā)現(xiàn)，其中一種納米級的紗線球“在非常高的壓縮力下可能會屈服并失去一些孔隙，但不會破裂。”

這預(yù)示著商業(yè)化的發(fā)展，因?yàn)殛枠O材料必須在制造過程中能夠承受輥?zhàn)拥母邏嚎s。張說，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，以便它們有一天能進(jìn)入下一代高性能鋰離子電池。