石墨長(zhǎng)期以來(lái)一直是當(dāng)今鋰離子電池的關(guān)鍵組成部分。然而，隨著我們對(duì)這些電池的依賴不斷新增，基于石墨烯的電極要得到升級(jí)。為此，科學(xué)家們正在尋找數(shù)字革命的核心元素：硅。

美國(guó)能源部西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家想出了一種新方法來(lái)使用這種有前途但有問(wèn)題的儲(chǔ)能成分。硅被用于電腦芯片和許多其他產(chǎn)品，它的吸引力在于它每克容納的電荷量是石墨的10倍。問(wèn)題是，當(dāng)硅遇到鋰時(shí)，它會(huì)急劇膨脹，并且太弱無(wú)法承受電極制造的壓力。

為了解決這些問(wèn)題，由美國(guó)能源部西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員張吉光（音譯）和李曉林（音譯）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)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。他們的研究成果最近發(fā)表在《自然通訊》雜志上，可以為其他類型的電池供應(yīng)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。

消除硅的缺點(diǎn)

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。硅可以吸收比石墨更多的鋰，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。

張吉光說(shuō)：“例如，像石頭這樣的固體材料，假如體積膨脹太大，就會(huì)破裂。我們創(chuàng)造的東西更像海綿，內(nèi)部有空間吸收膨脹。”

研究發(fā)現(xiàn)，多孔硅結(jié)構(gòu)的電極在容納兩倍于典型石墨陽(yáng)極的電荷時(shí)，厚度變化小于20％。然而，與之前的多孔硅不同的是，由于碳納米管使微球看起來(lái)像紗線球，微球也顯示出了非凡的機(jī)械強(qiáng)度。

超強(qiáng)微球

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。

李曉林說(shuō)：“當(dāng)水蒸發(fā)時(shí)，涂覆的碳納米管會(huì)凝結(jié)成球形。然后，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。”從該過(guò)程中出現(xiàn)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。”

這預(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)程中能夠承受滾軸的高壓力。張吉光說(shuō)，下一步是開(kāi)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，以便它們有一天能成為下一代高性能鋰離子電池。