可充電的鋰離子電池為智能手機(ji)、平(ping)板電(dian)腦、筆記本(ben)電(dian)腦以及越(yue)來越(yue)多(duo)的(de)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)提供動(dong)力，是非常重(zhong)(zhong)要(yao)的(de)產品(pin)，但是鋰電(dian)池陽極(ji)中的(de)硅快(kuai)速(su)退化和(he)失效(xiao)的(de)問題嚴重(zhong)(zhong)制約了(le)行業的(de)發(fa)展。為了(le)解決這個問題，科學家和(he)工程(cheng)師正在(zai)(zai)開發(fa)新(xin)的(de)電(dian)極(ji)材料(liao)，可以在(zai)(zai)相同的(de)空間內(nei)儲存(cun)更多(duo)的(de)鋰。

其中(zhong)一(yi)個有希(xi)望的(de)解決方案是電池(chi)的(de)負極(ji)(ji)（也稱陽(yang)極(ji)(ji)）使用鋁合金(jin)材料。例如，一(yi)磅(bang)的(de)硅(gui)產生(sheng)的(de)“合金(jin)型”陽(yang)極(ji)(ji)，可以存儲大(da)約 10 磅(bang)石墨相同(tong)的(de)鋰(li)，后者是目前在商(shang)業(ye)鋰(li)離(li)子(zi)電池(chi)中(zhong)使用的(de)“插層型”（intercalation-type）陽(yang)極(ji)(ji)。這(zhe)意味著(zhu)用前者取代后者有可能(neng)使陽(yang)極(ji)(ji)輕(qing) 10 倍，并大(da)大(da)縮(suo)小。

盡(jin)管有這(zhe)樣(yang)的優(you)秀的表現(xian)，但是合金型陽極(ji)還(huan)沒(mei)有得到廣泛的采用(yong)。因為當鋰離子被插(cha)入(ru)陽極(ji)內的合金型硅(gui)顆粒(li)時(shi)，這(zhe)些顆粒(li)開始膨脹并破裂，導致電(dian)池在僅僅幾個充電(dian)周期后就失效(xiao)。縮小這(zhe)些顆粒(li)的尺寸，使其特征處于納米級–例如在納米多孔(kong)硅(gui)中–可以緩解(jie)這(zhe)種退化，但實(shi)際(ji)的作用(yong)機制還(huan)沒(mei)有被完全理解(jie)。

發(fa)表于(yu)《ACS能(neng)源通訊》的(de)(de)(de)一項(xiang)研(yan)究(jiu)(jiu)中，賓夕法尼亞(ya)州(zhou)工(gong)程公司的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)人員揭示了當(dang)合金型陽極充電(dian)(dian)(dian)和放電(dian)(dian)(dian)時(shi)在納米(mi)尺度(du)上發(fa)生的(de)(de)(de)復雜電(dian)(dian)(dian)化學(xue)過程。對目(mu)前阻礙(ai)這類有前途的(de)(de)(de)儲能(neng)材(cai)料的(de)(de)(de)降解行為(wei)的(de)(de)(de)更好理解，可以(yi)為(wei)新的(de)(de)(de)、更有效的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)設計打(da)開大門。

在(zai)(zai)本(ben)研究之前，常(chang)規(gui)合(he)金型陽(yang)極退(tui)化(hua)是如何(he)發(fa)生的，其(qi)基本(ben)模型顯示在(zai)(zai)本(ben)圖的上半部分。當帶有硅(gui)(gui)陽(yang)極的鋰(li)離子電池充(chong)電時，硅(gui)(gui)顆粒（淺藍(lan)色）在(zai)(zai)吸收鋰(li)離子時物理性地(di)增長(chang)。在(zai)(zai)這些含鋰(li)的硅(gui)(gui)顆粒（深(shen)藍(lan)色）周圍還形成(cheng)了一層(ceng)SEI，即固(gu)體電解質相(xiang)（灰色），只是在(zai)(zai)電池放電時斷開(kai)。

這項研究為鋰電(dian)(dian)池陽極的硅退化的原(yuan)因(yin)提供(gong)了新的見解。在充電(dian)(dian)過(guo)程中，硅片被困在SEI中，當SEI在放電(dian)(dian)過(guo)程中與它(ta)分離時(shi)，原(yuan)來(lai)的顆粒就變成了多孔(kong)的。隨著這個過(guo)程的重復，粒子的收縮越來(lai)越大，直到它(ta)最終(zhong)散(san)開。

鋰(li)(li)離(li)子電池通過正(zheng)極(ji)（也被稱(cheng)為(wei)陰極(ji)）的(de)(de)鋰(li)(li)與陽(yang)極(ji)材料(liao)之(zhi)間(jian)(jian)的(de)(de)電化學反應來儲存能量。在充電過程(cheng)中，當鋰(li)(li)離(li)子實際進入陽(yang)極(ji)晶格中的(de)(de)空間(jian)(jian)時(shi)，它們與該材料(liao)結合，并在此過程(cheng)中吸收電子；放電時(shi)，電池會移除鋰(li)(li)，以便重(zhong)復這一過程(cheng)，但在合金型(xing)陽(yang)極(ji)的(de)(de)情況下，也會導致陽(yang)極(ji)材料(liao)增長并最(zui)終(zhong)斷裂(lie)。

在這(zhe)(zhe)些過程中，有多個中間(jian)步驟；了解(jie)它們在致(zhi)密硅(gui)和納米多孔硅(gui)之間(jian)的(de)不同，可(ke)能(neng)會對(dui)后者為什么能(neng)更(geng)好地(di)抵御(yu)降解(jie)提(ti)供一些提(ti)示。然而，對(dui)這(zhe)(zhe)些過程的(de)密切(qie)調(diao)查(cha)一直受阻于在如此小的(de)尺度(du)上對(dui)相關(guan)硅(gui)結構(gou)進行成(cheng)像的(de)挑戰。

使用透射電(dian)(dian)子(zi)顯微鏡和(he)X射線(xian)(xian)散(san)射技術(shu)的(de)獨特(te)組合來研究鋰(li)離子(zi)電(dian)(dian)池陽極(ji)在充電(dian)(dian)和(he)放(fang)電(dian)(dian)過(guo)程(cheng)中的(de)退化(hua)。我們使用金(jin)(jin)而不是硅(gui)，因為金(jin)(jin)在電(dian)(dian)子(zi)顯微鏡成像過(guo)程(cheng)中產生比硅(gui)更好的(de)對比度。這(zhe)可(ke)以清楚地檢(jian)測到在充電(dian)(dian)和(he)放(fang)電(dian)(dian)過(guo)程(cheng)中在金(jin)(jin)電(dian)(dian)極(ji)上形(xing)成的(de)固(gu)體(ti)電(dian)(dian)解(jie)質相(xiang)間表面涂層，稱為 SEI。金(jin)(jin)也比硅(gui)散(san)射更多的(de)X射線(xian)(xian)，這(zhe)使得它更容(rong)易探測在這(zhe)些過(guo)程(cheng)中陽極(ji)結構(gou)的(de)變化(hua)。