美国研发多孔硅微球比石墨多存储10倍电荷 制成高性能锂离子电池

铅笔头上的材料-石墨同样也一直是如今锂离子电池的关键组成部分。不过，随着人们对此类电池越来越依赖，基于石墨烯的电极应该进一步升级。因此，科学家们找到了数字革命的核心元素——硅。

（图片来源：西北太平洋国家实验室）

据外媒报道，美国能源部西北太平洋国家实验室（theU.S.DepartmentofEnergy'spacificNorthwestNationalLaboratory，pNNL）的科学家们找到了一种新方法，能够利用此种前景很好、但是问题也多多的储能成分。硅通常用于计算机芯片和很多其他产品，因每克硅的电荷量是石墨的10倍，因而备受关注。问题是，硅在遇到锂时，会急剧膨胀，而且过于脆弱，无法承受制造电极时的压力。

为了解决此类问题，pNNL的研究人员研发了一种独特的纳米结构，可以限制硅膨胀，同时还用碳将其强化。该研究可能会为其他类型的电池供应新型电极材料设计，并最终有助于提高电动汽车、电子设备和其他设备锂离子电池的能量容量。

作为一种导电且稳定的碳，石墨非常适合用于在充电时将锂离子填入阳极中。与石墨相比，硅能够吸收很多的锂，但是体积也会膨胀3倍，导致阳极破裂。研究人员将微小的硅颗粒聚集成直径约为8微米的微球（大约是一个红血球大小），打造了多孔硅。

研究人员表示：“例如，像石头等固体材料，假如体积膨胀得太大就会破裂。我们打造的结构更像海绵，内部有空间会吸收膨胀。”

研究发现，当比普通石墨电极多容纳两倍电荷时，多孔硅结构电极的厚度变化小于20%。与之前的多孔硅不同，得益于让微球变得像纱线球的碳纳米管，该微球也表现出非凡的机械强度。

研究人员通过在碳纳米管上涂覆氧化硅，分几个步骤打造了该结构。接下来，该纳米管被放入水与油的乳状液体中，然后加热至沸腾。研究人员表示：“当水蒸发时，涂覆了氧化硅的碳纳米管会凝结成球状。然后，用铝和更高的热量，将氧化硅转化为硅，再浸入到水和酸中，除去衍生物。”该过程会出现一种由碳纳米管表面微小硅微粒组成的粉末。

研究人员利用原子力显微镜探针测试了该多孔硅球的强度，结果发现，其中纳米大小的纱线球在非常高的压缩力下会出现轻微的弯曲，并失去一些孔隙，但是不会破裂。

这一结果关于实现此种材料的商业化是一个好兆头，因为阳极材料在制造过程中必须能够承受滚轴的高压缩力。研究人员表示，下一步将研发更具扩展性、更经济的方法，来制造硅微球，从而未来能够生产出新一代高性能锂离子电池。