硅阳极结构为锂离子电池带来新的潜力

冲绳科技大学研究生院(OIST)进行的新研究已经确定了一种特定的构建基块，可以改善锂离子电池的负极性。今天，在《通讯材料》中揭示并解释了使用纳米粒子技术构建的结构的独特性能。功能强大的便携式可充电锂离子电池是现代技术的重要组成部分，可在智能手机，笔记本电脑和电动汽车中找到。在2019年，随着我们不再使用化石燃料，他们在革新未来储能和用电方式方面的潜力得到了广泛认可，诺贝尔奖获得者被共同授予OIST董事会新成员吉野彰博士。他的工作是开发锂离子电池。

传统上，石墨用于阳极的锂离子电池的，但这种碳材料具有很大的局限性。

“当电池充电时，锂离子被迫从电池的一侧(阴极)通过电解质溶液移动到电池的另一侧(阳极)。然后，在使用电池时，锂离子移回到阴极，电池中释放出电流。” OIST的前研究员，该研究的第一作者Marta Haro博士解释说。“但是在石墨阳极中，需要六个碳原子来存储一个锂离子，因此这些电池的能量密度很低。”

当前，科学界和工业界正在探索使用锂离子电池为电动汽车和航天飞机供电，因此提高能量密度至关重要。研究人员现在正在寻找可以增加阳极中存储的锂离子数量的新材料。

硅是最有前途的候选材料之一，它可以为每个硅原子结合四个锂离子。

Haro博士说：“在给定的体积中，硅阳极可以存储的电荷量是石墨阳极的十倍，能量密度要高出整整一个数量级。” “问题在于，当锂离子进入阳极时，体积变化巨大，高达400%左右，这会导致电极破裂和断裂。”

较大的体积变化还阻止了在电解质和阳极之间稳定形成保护层。因此，每次给电池充电时，该层都必须不断地进行改型，用完有限的锂离子供应，并降低电池的寿命和可充电性。

该论文的资深作者Grammatikopoulos博士说：“我们的目标是尝试创建一种能够抵抗这些应力的更坚固的阳极，该阳极能够吸收尽可能多的锂，并确保在恶化之前尽可能多的充电周期。” “而且我们采取的方法是使用纳米颗粒构建结构。”

在第一阶段，硅膜以刚性但不稳定的柱状结构存在。在第二阶段，圆柱在顶部接触，形成拱形结构，由于拱起作用，拱形结构坚固。在第三阶段中，硅原子的进一步沉积产生海绵状结构。红色虚线表示在施加力时硅如何变形。图片来源：苏黎世联邦理工学院设计部门和粒子技术实验室的OIST纳米粒子Panagiotis Grammatikopoulos博士

在2017年发表于《先进科学》(Advanced Science)的上一篇论文中，设计单位现已解散的OIST纳米颗粒开发出了蛋糕状的分层结构，其中每层硅都夹在钽金属纳米颗粒之间。这改善了硅阳极的结构完整性，防止了过度膨胀。

在试验不同厚度的硅层以了解其如何影响材料的弹性时，研究人员注意到了一些奇怪的现象。

现任博士学位的Theo Bouloumis说：“在硅层的特定厚度处，结构的弹性完全改变了。” 正在进行这项实验的OIST学生。“材料逐渐变硬，但是当硅层的厚度进一步增加时，刚度迅速下降。我们有一些想法，但是当时，我们不知道发生这种变化的根本原因。”

最后，新论文提供了一种临界厚度下刚度突然升高的解释。通过原子级的显微镜技术和计算机模拟，研究人员表明，当硅原子沉积在纳米颗粒层上时，它们不会形成均匀的薄膜。取而代之的是，它们形成倒圆锥形的圆柱，随着沉积更多的硅原子，圆柱越来越宽。最终，各个硅柱相互接触，形成拱形结构。

Grammatikopoulos博士说：“拱形结构坚固，就像土木工程中的拱形坚固一样。” “同样的概念适用于纳米级。”

重要的是，结构强度的提高也与电池性能的提高相吻合。当科学家进行电化学测试时，他们发现锂离子电池具有更高的充电容量。保护层也更稳定，这意味着电池可以承受更多的充电周期。

仅在色谱柱接触的确切时刻才能看到这些改进。在此时刻发生之前，各个柱子都是摆动的，因此无法为阳极提供结构完整性。而且，如果在色谱柱接触后继续进行硅沉积，则会形成带有许多空隙的多孔膜，从而导致较弱的海绵状行为。

这揭示了拱形结构及其如何获得其独特的性能，不仅是朝着锂离子电池中的硅阳极商业化迈出的重要一步，而且在材料科学领域还有许多其他潜在的应用。

Grammatikopoulos博士说：“当需要坚固且能够承受各种压力的材料时，例如用于生物植入物或用于储存氢的材料，可以使用拱形结构。” “只需更改层的厚度，就可以精确制作所需的确切类型的材料(更坚固或更柔软，更柔韧性或更不柔韧性)。这就是纳米结构的美。”

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