加拿大发现硅纳米粒子 可使锂电池蓄电能力提高10倍

硅材料因储量丰富，而当Si与Li形成Li4.4Si结构时，理论比容量可以达到4200mAh/g，比目前再锂电池中广泛使用的石墨能吸收近十倍的锂离子，因此被认为具有制造大容量电池的前景。当然如此高的容量还没能实际应用在电池上有其缺陷，充电状态的Si负极体积膨胀可以达到原体积的3倍，硅颗粒在吸收和释放锂离子时会膨胀和收缩，在多次充放电循环后容易破裂，这成为了阻拦在Si负极应用路上最大的障碍。

据了解，目前硅材料在锂离子电池中的应用，主要涉及两方面，一是在负极材料中加入纳米硅，形成硅碳负极；二是在电解液中加入有机硅化合物，改善电解液的性质，目前常见在科技杂志上的主要是集中在硅负极材料。

加拿大阿尔伯塔大学化学家布里亚克(JillianBuriak)团队发现将硅塑造成纳米级的颗粒有助于防止它破裂。研究测试了四种不同尺寸的硅纳米颗粒，确定多大的尺寸才能最大限度地发挥硅的优点，同时最大限度地减少其缺点。它们均匀分布在由具有纳米孔径的碳制成的高导电性石墨烯气凝胶中，以弥补硅的低导电性。

纳米硅，指的是直径小于5纳米的晶体硅颗粒，是一种重要的非金属无定形材料。纳米硅粉具有纯度高、粒径小、分布均匀、比表面积大、高表面活性、松装密度低等特点，且无毒、无味。纳米硅的应用领域广泛：除了可用于制造耐高温涂层和耐火材料，与金刚石高压下混合形成碳化硅-金刚石复合材料，用做切削刀具外，还可以与石墨材料组成硅碳复合材料，作为锂离子电池的负极材料，大幅提高锂离子电池的容量;可与有机物反应，作为有机硅高分子材料的原料。

该团队研究测试了四种不同尺寸的硅纳米颗粒，确定多大的尺寸才能最大限度地发挥硅的优点，同时最大限度地减少其缺点。它们均匀分布在由具有纳米孔径的碳制成的高导电性石墨烯气凝胶中，以弥补硅的低导电性。

他们发现，最小的颗粒(直径仅为30亿分之一米)在多次充放电循环后表现出最佳的长期稳定性。这克服了在锂离子电池中使用硅的限制。这一发现可能导致新一代电池的容量是目前锂离子电池的10倍，朝着制造新一代硅基锂离子电池迈出了关键的一步。

这项研究有广阔的应用前景，特别是在电动汽车领域，可以使其行驶里程更远，充电速度更快，电池重量更轻。下一步是开发一种更快、更便宜的方法来制造硅纳米颗粒，使其更容易运用在工业生产上。此项研究成果发表在《材料化学》杂志上。