獨特的納米結構使得用硅作為電池負極成為可能

石墨一直以來也是制備鋰離子電池的重要材料。然而，隨著電池需求的增長，石墨電極也會被淘汰。為此，科學家更加看重處于數字革命中的核心元素：硅。硅作為儲能材料，機遇與挑戰共存。美國能源部太平洋西北國家實驗室(PNNL)的科學家提出了一種利用這種毀譽參半儲能材料的新方法。相比石墨10倍的電荷容量，計算機芯片和許多其他產品上使用的硅極具吸引力。但問題是，當遇到鋰時，硅會大幅度膨脹，而且過于脆弱，無法承受電極制造過程的壓力。為了解決這些問題，PNNL研究人員張繼光(Jason)和李曉林(Li Xiaolin)領導的團隊開發了一種獨特的納米結構來控制硅的膨脹，同時用碳加固。

石墨傳導性良好，且是穩定形態的碳，便于在充電時將鋰離子接收至電池負極。硅比石墨可容納更多的鋰，但3倍左右的體積膨脹會導致負極破裂。通過將小的硅顆粒粘合成直徑約 8 μm、與紅細胞大小相當的微球，研究人員制備出了一種多孔形態的硅。張繼光表示：“像石頭這樣的固體材料，如果體積膨脹過大，就會破裂，我們創造的東西更像海綿，內部空間可以消納體積膨脹。”研究發現，具有多孔結構的硅電極的厚度變化小于20%，而電荷容量是普通石墨負極的兩倍。但與以往的多孔硅不同，由于碳納米管的存在，其形狀更像紗線球，這種微球同時表現出極高的機械強度。這對于商業化是好兆頭，因為負極材料必須能夠在制造過程經受住滾子的高壓。研究人員通過幾個步驟創造了這種結構，首先是用氧化硅包覆碳納米管。隨后，納米管被放入油和水的乳液中，然后加熱到沸騰。水蒸發后，硅包覆的碳納米管縮聚成球體，然后加入鋁并在高溫下將氧化硅轉化為硅，隨后浸泡在水和酸中去除副產品。經過上述過程最終形成了一種粉末物質(微小硅粒子附著在碳納米管表面形成的顆粒)。下一步的目標是開發規模化、更經濟的硅微球制造方法，為新一代高性能鋰離子電池鋪平道路。

[靳愛民摘譯自 SciTechDaily，2020-04-28]