研究发现拱形硅阳极结构 可提高锂离子电池性能

据外媒报道，冲绳科学技术大学院大学（OIST）研究发现了一种特定的构建基块，由纳米粒子技术构建，可改善锂离子电池负极。

锂离子电池功能强大、便携且可充电，在智能手机、笔记本电脑和电动汽车都有广泛应用。随着人们逐渐放弃使用化石燃料，2019年，锂离子电池在改变未来储能和用电方式上的极大潜能获得了广泛认可。OIST理事会新成员Akira Yoshino博士还获得了诺贝尔奖，以表彰他在开发锂离子电池方面的工作。石墨通常被用作锂离子电池的阳极，但这种碳材料具有很大的局限性。

（图片来源： 冲绳科学技术大学院大学 ）

OIST前研究员、该研究第一作者Marta Haro博士解释说：“电池充电时，锂离子会从电池的阴极通过电解质溶液移动到电池的阳极。电池工作时，锂离子又会移回到阴极，因此产生电流。但在石墨阳极中，存储一个锂离子需要六个碳原子，因此这类电池的能量密度很低。”

目前科学界和工业界正在试图使用锂离子电池为电动汽车和航天飞机供电，因此提高其能量密度至关重要。研究人员正努力寻找可以增加阳极中锂离子数量的新材料。而硅目前是目前最有潜力的候选材料之一，每个硅原子可以结合四个锂离子。

Haro博士表示：“在既定体积中，硅阳极可以存储的电荷量是石墨阳极的十倍，能量密度要高出整整一个数量级。但问题在于，当锂离子进入阳极时，体积会变的巨大，大约有400％，从而导致电极破裂和断裂。”巨大体积变化还阻止了电解质和阳极间形成稳定保护层。因此，每次充电，该保护层都需要不断地进行重组，耗尽所有锂离子，从而导致电池寿命缩短并降低其可充电性。

研究人员Grammatikopoulos博士表示：“我们在尝试发明一种能够抵抗压力的更坚固的阳极，该阳极不仅可以储存更多锂离子，还可以确保在腐蚀前提供更多充电周期。因此我们采用了纳米颗粒构建结构。”在2017年发表于《Advanced Science》的一篇论文描述道，设计单元现已解散的OIST纳米颗粒可衍生出一种蛋糕状的层状结构，其中每层硅都夹在钽金属纳米颗粒之间，改善硅阳极的结构完整性的同时也可防止过度膨胀。

在试验不同厚度的硅层以了解其如何影响材料弹性时，研究人员注意到了一些奇怪的现象。OIST博士生Theo Bouloumis表示：“在硅层达到特定厚度时，结构弹性发生完全改变，材料会逐渐变硬。但是当硅层厚度进一步增加时，刚度又会迅速下降。我们有一些猜想，但当时，我们并不清楚发生这种变化的根本原因。”

最后，研究人员解释称，即达到临界厚度下刚度会突然升高。通过原子级的显微镜技术和计算机模拟，研究人员发现，当硅原子沉积在纳米颗粒层上时，它们并不会形成均匀的薄膜，而是形成倒圆锥形的圆柱。随着更多硅原子沉积，圆柱越来越宽。最终，各个硅柱相互接触，形成拱形结构。Grammatikopoulos博士表示：“拱形结构坚固，就像土木工程中的拱形一样坚固，这也适用于纳米级。”

重要的是，结构强度的提高同时，电池性能也得到提高。当科学家进行电化学测试时，他们发现锂离子电池具有更高的充电容量，保护层也更稳定，这意味着电池提供更多充电周期。这些改进仅在色谱柱接触的那一刻才能看到，而在此时刻发生前，各圆柱都在摆动，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，从而出现柔软的海绵状结构。

该实验揭示了电池中的拱形结构，以及该结构如何获得其独特性能。这不仅是朝锂离子电池硅阳极商业化迈出的重要一步，也是材料科学领域和其他潜在应用的一项重要发展。

Grammatikopoulos博士表示：“当需要坚固且能够承压的材料时，如生物植入物或储存氢时，就可以使用拱形结构。只需更改层的厚度，就可以精确制作出所需材料。材料可以更坚硬或更柔软，也可以更灵活或没那么灵活，这正是纳米结构的独特之处。”