使用硅來(lái)助力電池陽(yáng)極實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍

（文章來(lái)源：教育新聞網(wǎng)）

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

美國(guó)能源部太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們提出了一種新穎的方法來(lái)使用這種有前途但有問(wèn)題的儲(chǔ)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(wèn)題是，硅在遇到鋰時(shí)會(huì)大大膨脹，并且太弱而無(wú)法承受電極制造的壓力。

為了解決這些問(wèn)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(dòng)汽車，電子設(shè)備和其他設(shè)備中鋰離子電池的能量容量。

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(yáng)極中。硅可以吸收比鋰更多的鋰，但硅往往會(huì)膨脹約300%的體積，導(dǎo)致陽(yáng)極破裂。研究人員通過(guò)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(lái)制造多孔形式的硅。

張說(shuō)：“例如，像石頭這樣的固體材料，如果體積膨脹太大，就會(huì)破裂?！薄拔覀儎?chuàng)造的東西更像海綿，內(nèi)部有空間吸收膨脹?！?/p>

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(yáng)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。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(lái)，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(shuō)：“當(dāng)水蒸發(fā)時(shí)，涂覆的碳納米管會(huì)凝結(jié)成球形?！薄叭缓?，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?！睆脑撨^(guò)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(cè)試了多孔硅球的強(qiáng)度。作者發(fā)現(xiàn)，其中一種納米級(jí)的紗線球“在非常高的壓縮力下可能會(huì)屈服并失去一些孔隙，但不會(huì)破裂?！边@預(yù)示著商業(yè)化的發(fā)展，因?yàn)殛?yáng)極材料必須在制造過(guò)程中能夠承受輥?zhàn)拥?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/873/" target="_blank">高壓縮。張說(shuō)，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。
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