新研究:一种独特纳米结构为硅阳极锂离子电池商业化迈出重要一步

冲绳科学技术大学院大学(OIST)进行的新研究发现了一种独特纳米结构为硅阳极锂离子电池商业化迈出重要一步,这种结构可以改善锂离子电池的阳极。研究人员在《自然》杂志 “通信材料”(Communications Materials)上的一篇公开论文中,揭示并解释了利用纳米粒子技术构建该结构的独特特性。

传统上,石墨被用于锂离子电池的阳极,但这种碳材料有很大的局限性。

最有希望增加阳极中储存的锂离子数量的候选材料之一是硅,每一个硅原子可以结合四个锂离子。

巨大的体积变化也阻碍了位于电解液和阳极之间的保护层的稳定形成。因此,每当电池充电时,这层保护层都必须不断地进行改造,从而耗尽有限的锂离子供应,降低电池的寿命和充电能力。

在2017年发表在《先进科学》上的一篇论文中,介绍了一种蛋糕状的分层结构,其中每层硅都夹在钽金属纳米颗粒之间。这改善了硅阳极的结构完整性,防止过度膨胀。

当研究人员用不同厚度的硅层进行实验,看看它如何影响材料的弹性性能时,研究人员发现了一些奇怪的事情。

这篇新论文终于为一个临界厚度处的刚度突然飙升提供了解释。

通过显微镜技术和原子水平的计算机模拟,研究人员表明,当硅原子沉积到纳米颗粒层上时,它们不会形成均匀一致的薄膜。相反,它们形成了倒锥体形状的柱子,随着更多硅原子的沉积而越来越宽。最终,各个硅柱相互接触,形成拱顶结构。

新研究:一种独特纳米结构为硅阳极锂离子电池商业化迈出重要一步

结构强度的提高也与电池性能的增强相吻合。当科学家们进行电化学测试时,他们发现锂离子电池的充电能力有所提高。保护层也更加稳定,这意味着电池可以承受更多的充电周期。

这些改进只有在柱子接触的精确时刻才能看到。在这一时刻发生之前,各个柱子都是摆动的,因此无法为阳极提供结构完整性。如果在色谱柱接触后继续进行硅沉积,则会形成带有许多空隙的多孔膜,从而产生一种脆弱的、类似海绵的行为。

这种穹顶结构以及独特特性的揭示,不仅作为锂离子电池中硅阳极商业化的重要一步,而且在材料科学中还有许多其他潜在的应用。获取更多前沿科技 信息 请持续关注:https://byteclicks.com

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