美太平洋西北实验室为电池新电极材料设计提出一种新方法

硅是目前最重要的半导体材料，但其应用范围远不止于此。美国能源部西北太平洋国家实验室研究人员设计了一种新颖的纳米结构，能够赋予硅非凡的强度，使其有望成为锂离子电池的阳极材料，成为石墨的升级版。美太平洋西北国家实验室研究成果是锂离子电池硅基阳极开发的一个飞跃，为其他类型电池材料设计提供了新的思路。

美国能源部太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory）的科学家们已经想出了一种新方法，为电池新电极材料设计提供参考。硅被用于计算机芯片和许多其他产品，它的吸引力在于，与石墨相比，每克硅可以容纳10倍于石墨的电荷。但麻烦的是，硅在遇到锂的时候会大大膨胀，而且硅太弱，无法承受电极制造的压力。研究工作最近发表在《自然通讯》杂志上。

长期以来，石墨一直是锂离子电池的关键组成部分。这种碳导电且稳定，非常适合在充电时将锂离子填充到电池的阳极中。但随着对更高能量密度电池的需求不断增加，石墨基电极也需要升级，而硅被认为是一种很好的升级版材料。与石墨相比，硅可以吸收更多的锂，但问题是，硅在遇到锂时会大幅膨胀，可能会导致锂电池阳极破裂粉化。

为了克服硅基阳极粉化这一难题，西北太平洋国家实验室研究人员设计了一种新颖的纳米结构。他们将细小的硅颗粒聚集到直径约8微米的微球中，形成一种相当于红细胞大小的分层多孔硅结构。这种结构就像海绵一样，内部有空间来吸收膨胀压力。研究表明，这种分层多孔结构具有出色的电化学性能、机械强度和结构完整性，可用于高性能锂离子电池阳极，其可容纳的电荷也是典型石墨基阳极的两倍。

研究人员表示，他们设计的纳米结构不仅可以满足硅基阳极各方面的性能要求，也适用于包括压延在内的标准工业加工程序，可以为其他类型电池材料设计提供新的思路。下一步，他们将努力开发更具扩展性和经济性的硅微球制造方法，以便进行商业化应用，最终帮助提高电动汽车、电子设备和其他设备中锂离子电池的性能。

摒弃硅的弊端

石墨电极是一种耐高温、耐腐蚀的导电材料，石墨是碳的一种同素异形体化学性质稳定，非常适合在电池充电时将锂离子填充到电池阳极。硅比石墨能吸收更多的锂，但是它的体积会膨胀300%，导致阳极断裂。研究人员通过将小硅颗粒聚集成直径约8微米的微球–相当于一个红细胞的大小–创造了一种多孔硅。

像石头这样的固体材料，如果体积膨胀过大，就会破裂，该研究团队创造的是更像海绵一样，内部有空间吸收膨胀的地方。

研究发现，多孔硅结构的电极在容纳两倍于典型石墨阳极的电荷的同时，其厚度变化不到20%。然而，与以前的多孔硅不同，这种微球也表现出了非凡的机械强度，这要归功于碳纳米管，它使球体类似于纱线球。

超强微球

研究人员通过几个步骤创建了这种结构，首先是将碳纳米管涂上氧化硅。接下来，将这些纳米管放入油和水的乳液中。然后加热到沸腾。

当水蒸发时，涂层碳纳米管凝结成球状，然后用铝和更高的热量将氧化硅转化为硅，然后将其浸泡在水和酸中，去除副产物。从这个过程中产生的是一种粉末，由碳纳米管表面的微小硅颗粒组成。

研究人员用原子力显微镜的探针对多孔硅球的强度进行了测试。研究发现，其中一个纳米纱线球在很高的压缩力下，可能会轻微变化，失去一些孔隙度，但不会断裂。

这对商业化来说是个好兆头，因为阳极材料在制造过程中必须能够承受辊子的高压缩力。研究团队计划下一步开发出更具可扩展性和更经济实惠的硅微球制造方法，有朝一日为进入下一代高性能锂离子电池奠定基础。

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