重大突破！科学家发现“拱形”纳米硅阳极 可大大提高锂离子电池容量
时间:2021-02-06 17:44来源:财联社 作者:综合报道
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近期，冲绳科学技术大学院大学（OIST）的研究人员发现了一种特殊结构——拱形纳米硅阳极，可以改善一直以来锂离子电池石墨阳极所存在的弊端。该研究成果已于本月5日刊登在了《通信材料》（Communications Materials）杂志上。
功能强大、携带方便、可充电的锂离子电池是现代技术的重要组成部分，广泛应用于智能手机、笔记本电脑和电动汽车等。随着人类逐步远离化石燃料，它们在未来改变存储和消费电力方式的潜力得到了各界的认可。传统上，石墨被用作锂离子电池的阳极，但是这种碳材料有很大的局限性。
研究人员解释称，当电池充电时，锂离子被迫从电池的一端（阴极）通过电解质溶液移动到电池的另一端（阳极）。然后，当电池被使用时，锂离子会回到阴极，电池释放电流。然而，在石墨阳极中，一个锂离子需要六个碳原子来存储，所以这些电池的能量密度很低。
随着科学和工业界都在不断探索使用锂离子电池为电动汽车和航天飞机提供动力，提高能量密度如今也变得愈发重要。研究人员现在正在寻找新的材料，可以增加锂离子在阳极中的存储数量。目前，最有希望的候选材料之一是硅，它可以为每一个硅原子绑定四个锂离子。
研究人员说，“硅阳极在给定体积内可以储存的电荷是石墨阳极的十倍，在能量密度方面要高出整整一个数量级。但问题是，当锂离子进入阳极时，体积变化是巨大的，高达400%左右，这会导致电极断裂。”
此外，巨大的体积变化也阻止了电解质和阳极之间保护层的稳定形成。因此，每当电池充电时，这一层就必须不断地改造，耗尽有限的锂离子供应，并降低电池的寿命和可充电性。
该研究资深作者Grammatikopoulos博士表示，“我们的目标是尝试创造一种更坚固的阳极，能够抵抗这些压力，能够吸收尽可能多的锂，并确保尽可能多的充电循环。我们采用的方法是用纳米颗粒构建一个结构。”
如下图所示，在第一阶段，硅薄膜以刚性但不稳定的柱状结构存在。在第二阶段，柱子在顶部接触，形成拱形结构，由于拱的作用，拱形结构很坚固。在第三阶段，硅原子进一步沉积形成海绵状结构。红色虚线显示了硅在施力时是如何变形的。
Grammatikopoulos博士说，“拱形结构很坚固，就像土木工程中的拱门一样坚固。同样的概念也适用于纳米尺度。”
重要的是，结构强度的增加也与电池性能的提高相一致。当科学家们进行电化学测试时，他们发现锂离子电池的充电容量增加了。保护层也更稳定，这意味着电池可以承受更多的充电循环。
这种拱形结构及其独特特性的揭示不仅是锂离子电池中硅阳极商业化的重要一步，而且在材料科学领域中还有许多其他潜在的应用。
研究人员表示：“当需要坚固且能承受各种压力的材料时，就可以使用这种拱形结构，比如用于生物植入物或储存氢气。你只需要知道材料的确切类型，是更硬还是更软，更有弹性还是不那么有弹性，只需简单地改变层的厚度就可以精确地实现，这就是纳米结构的魅力所在。”
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