硅作锂电阳极材料取得新突破

2020-05-03 08:45

石墨长期以来一直是当今锂离子电池的关键组成部分。然而，随着我们对这些电池的依赖不断增加，基于石墨烯的电极需要得到升级。为此，科学家们正在寻找数字革命的核心元素：硅。

美国能源部西北太平洋国家实验室的科学家想出了一种新方法来使用这种有前途但有问题的储能成分。硅被用于电脑芯片和许多其他产品，它的吸引力在于它每克容纳的电荷量是石墨的10倍。问题是，当硅遇到锂时，它会急剧膨胀，并且太弱无法承受电极制造的压力。

为了解决这些问题，由美国能源部西北太平洋国家实验室的研究人员张吉光（音译）和李晓林（音译）领导的团队开发了一种独特的纳米结构，该结构在限制硅膨胀的同时还用碳强化了硅。他们的研究成果最近发表在《自然通讯》杂志上，可以为其他类型的电池提供新的电极材料设计信息，并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能量容量。

消除硅的缺点

石墨是碳的一种导电且稳定的形式，非常适合在充电时将锂离子填充到电池的阳极中。硅可以吸收比石墨更多的锂，但硅往往会膨胀约300％的体积，导致阳极破裂。研究人员通过将小的硅颗粒聚集成直径约8微米的微球（大致相当于一个红血球的大小）来制造多孔形式的硅。

张吉光说：“例如，像石头这样的固体材料，如果体积膨胀太大，就会破裂。我们创造的东西更像海绵，内部有空间吸收膨胀。”

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时，厚度变化小于20％。然而，与之前的多孔硅不同的是，由于碳纳米管使微球看起来像纱线球，微球也显示出了非凡的机械强度。

超强微球

研究人员分几步创建了结构，首先是用氧化硅涂覆碳纳米管。接下来，将纳米管放入油和水的乳液中。然后将它们加热至沸腾。

李晓林说：“当水蒸发时，涂覆的碳纳米管会凝结成球形。然后，我们使用铝和更高的热量将氧化硅转化为硅，然后浸入水和酸中以去除副产物。” 从该过程中产生的是由碳纳米管表面上的微小硅颗粒组成的粉末。

使用原子力显微镜的探针测试了多孔硅球的强度。作者发现，其中一种纳米级的纱线球“在非常高的压缩力下可能会屈服并失去一些孔隙，但不会破裂。”

这预示着商业化的发展，因为阳极材料必须在制造过程中能够承受滚轴的高压力。张吉光说，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，以便它们有一天能成为下一代高性能锂离子电池。