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(de)重要(yao)組成(cheng)部分(fen)。但是，隨(sui)著我(wo)們對電池要(yao)求的(de)提高，石墨基電池已無法滿(man)足(zu)我(wo)們對于電池性能的(de)要(yao)求。因此研究人(ren)員將(jiang)目光轉向了(le)數字(zi)革命(ming)的(de)核心材料硅。

美國太(tai)平洋西北國家(jia)實驗(yan)室（PNNL）的(de)研(yan)究人(ren)員提出(chu)了一種(zhong)新穎方法(fa)來使用(yong)(yong)這種(zhong)有應(ying)用(yong)(yong)潛力但是目(mu)前仍問題的(de)儲(chu)(chu)能(neng)材料。硅(gui)(gui)被(bei)用(yong)(yong)于(yu)(yu)電腦芯片和許(xu)多其他(ta)產品，因具有十倍于(yu)(yu)石(shi)墨負極的(de)儲(chu)(chu)鋰(li)容(rong)量，被(bei)認(ren)為是下一代鋰(li)離子電池的(de)理想負極。然而，硅(gui)(gui)負極在(zai)鋰(li)化(hua)/去(qu)鋰(li)化(hua)過程(cheng)中涉(she)及巨大的(de)體積(ji)變化(hua)，導(dao)致其循(xun)環(huan)穩定性(xing)較差，并(bing)且(qie)太(tai)弱而無法(fa)承受電極制造的(de)壓(ya)力，制約(yue)了硅(gui)(gui)基(ji)負極的(de)實際應(ying)用(yong)(yong)。

為了解決這些問(wen)題，PNNL研(yan)(yan)究(jiu)人員JiguangZhang（Jason）和XiaolinLi帶領的(de)團隊開發了一種獨特的(de)納米結構(gou)，該結構(gou)利用(yong)碳材料在(zai)限制硅膨脹的(de)同(tong)時還強化了硅。該研(yan)(yan)究(jiu)成果發表在(zai)《NatureCommunications》上，為其(qi)他(ta)(ta)類型的(de)電池(chi)提(ti)供了新的(de)設計思路，并最終幫助(zhu)提(ti)高電動汽車、電子設備和其(qi)他(ta)(ta)設備中鋰離子電池(chi)的(de)能量(liang)容量(liang)。

消除硅的弊端

作為一(yi)種導電(dian)且穩定的(de)(de)(de)碳(tan)，石墨(mo)非常適合在(zai)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)時將(jiang)鋰離(li)子(zi)打包(bao)到電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)陽極中。硅比(bi)石墨(mo)能吸收更多的(de)(de)(de)鋰，但它的(de)(de)(de)體積會(hui)膨(peng)脹300%，導致陽極破裂。研究(jiu)人員通(tong)過(guo)將(jiang)小硅顆(ke)粒聚集成直徑(jing)約8微米(mi)的(de)(de)(de)微球——大(da)約一(yi)個紅(hong)細胞的(de)(de)(de)大(da)小——來制造出多孔的(de)(de)(de)硅。

石墨是碳(tan)的(de)一種(zhong)導電(dian)且穩定的(de)形式，非(fei)常(chang)適合(he)在充(chong)電(dian)時將(jiang)鋰離子(zi)填充(chong)到電(dian)池(chi)的(de)負(fu)極中。硅可(ke)以比(bi)石墨吸收更多的(de)鋰，但它的(de)體積往往會膨脹300%，導致負(fu)極破裂。研究人員(yuan)通(tong)過(guo)將(jiang)小(xiao)硅顆粒聚集成直徑(jing)約(yue)8微(wei)米的(de)微(wei)球(qiu)——大約(yue)一個紅(hong)細胞的(de)大小(xiao)——來(lai)制造出多孔形式的(de)硅。

PNNL的(de)(de)JasonZhang在高(gao)級電池設施中研究發現(xian)，具有(you)多孔硅結(jie)構的(de)(de)電極的(de)(de)厚度變化(hua)小于(yu)20％，同(tong)時(shi)容納的(de)(de)電荷(he)是(shi)典型石墨負極的(de)(de)兩倍。但是(shi)，與以前(qian)版本的(de)(de)多孔硅不同(tong)，由于(yu)碳(tan)納米管(guan)使微球類似于(yu)紗線球，因此(ci)微球也顯示出(chu)非凡的(de)(de)機械強度。

研究(jiu)人員分(fen)幾個步驟制備了這(zhe)種結構：首先在碳(tan)納米(mi)(mi)管(guan)上涂上氧(yang)化硅(gui)。接下來，將納米(mi)(mi)管(guan)放(fang)入油和水(shui)的乳液(ye)中(zhong)。然后將它們(men)加(jia)熱(re)至沸(fei)騰(teng)。

Li說(shuo)：“當水(shui)蒸(zheng)發(fa)時(shi)，涂覆的(de)碳納米管(guan)會凝(ning)結(jie)成(cheng)球形。”“然(ran)后，我(wo)們使用鋁和更高(gao)的(de)熱量將氧化硅轉(zhuan)化為硅，然(ran)后浸入(ru)水(shui)和酸中以去除副產物(wu)。”從這(zhe)個過程(cheng)中產生的(de)是一種由(you)碳納米管(guan)表面(mian)的(de)硅微(wei)粒(li)組成(cheng)的(de)粉(fen)末(mo)。

利(li)用(yong)原子力(li)顯微(wei)鏡探(tan)針測(ce)試了多孔硅球的(de)強度。作者發現，其(qi)中(zhong)一個(ge)納米(mi)紗線(xian)球“在非常高的(de)壓(ya)縮力(li)下可能會(hui)(hui)產生輕微(wei)的(de)屈服(fu)，并失去(qu)一些孔隙，但它不會(hui)(hui)破(po)裂。”

這(zhe)預示著商業化的(de)發展(zhan)，因為負(fu)極材(cai)料(liao)必須在(zai)制造過程中能夠(gou)承受輥子(zi)的(de)高(gao)壓縮。下(xia)一(yi)步是開發出更具可擴展(zhan)性(xing)和(he)經(jing)濟性(xing)的(de)制造硅微球的(de)方(fang)法，以便它們有一(yi)天能夠(gou)應(ying)用到下(xia)一(yi)代高(gao)性(xing)能鋰離(li)子(zi)電池中。