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可以讓锂電池的能量容量大大提高的多孔矽微球技術
石墨，和鉛筆筆尖一樣的材料，長期以來一直是锂離子電池的重要組成部分。但是，隨著我們對電池要求的提高，石墨基電池已無法滿足我們對于電池性能的要求。因此研究人員將目光轉向了數字革命的核心材料矽。
美国太平洋西北国家实验室（PNNL）的研究人员提出了一种新颖方法来使用这种有应用潜力但是目前仍问题的储能材料。硅被用于电脑芯片和许多其他产品，因具有十倍于石墨负极的储锂容量，被认为是下一代锂離子電池的理想负极。然而，硅负极在锂化/去锂化过程中涉及巨大的体积变化，导致其循环稳定性较差，并且太弱而无法承受电极制造的压力，制约了硅基负极的实际应用。
为了解决这些问题，PNNL研究人员JiguangZhang（Jason）和XiaolinLi带领的团队开发了一种独特的纳米结构，该结构利用碳材料在限制硅膨胀的同时还强化了硅。该研究成果发表在《NatureCommunications》上，为其他类型的电池提供了新的设计思路，并最终帮助提高电动汽车、电子设备和其他设备中锂離子電池的能量容量。
消除矽的弊端
作爲一種導電且穩定的碳，石墨非常適合在電池充電時將锂離子打包到電池的陽極中。矽比石墨能吸收更多的锂，但它的體積會膨脹300%，導致陽極破裂。研究人員通過將小矽顆粒聚集成直徑約8微米的微球——大約一個紅細胞的大小——來制造出多孔的矽。
石墨是碳的一種導電且穩定的形式，非常適合在充電時將锂離子填充到電池的負極中。矽可以比石墨吸收更多的锂，但它的體積往往會膨脹300%，導致負極破裂。研究人員通過將小矽顆粒聚集成直徑約8微米的微球——大約一個紅細胞的大小——來制造出多孔形式的矽。
PNNL的JasonZhang在高級電池設施中研究發現，具有多孔矽結構的電極的厚度變化小于20％，同時容納的電荷是典型石墨負極的兩倍。但是，與以前版本的多孔矽不同，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械強度。
研究人員分幾個步驟制備了這種結構：首先在碳納米管上塗上氧化矽。接下來，將納米管放入油和水的乳液中。然後將它們加熱至沸騰。
Li說：“當水蒸發時，塗覆的碳納米管會凝結成球形。”“然後，我們使用鋁和更高的熱量將氧化矽轉化爲矽，然後浸入水和酸中以去除副産物。”從這個過程中産生的是一種由碳納米管表面的矽微粒組成的粉末。
利用原子力顯微鏡探針測試了多孔矽球的強度。作者發現，其中一個納米紗線球“在非常高的壓縮力下可能會産生輕微的屈服，並失去一些孔隙，但它不會破裂。”
这预示着商业化的发展，因为负极材料必须在制造过程中能够承受辊子的高压缩。下一步是开发出更具可扩展性和经济性的制造硅微球的方法，以便它们有一天能够应用到下一代高性能锂離子電池中。
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