硅作为电池负极材料的飞跃：一种碳纳米管/硅微球结构

石墨，和铅笔笔尖相同的材料，长期以来一直是锂离子电池的重要组成部分。但是，随着我们对电池要求的提高，石墨基电池已无法满足我们关于电池性能的要求。因此研究人员将目光转向了数字革命的核心材料——硅。

美国太平洋西北国家实验室（PNNL）的研究人员提出了一种新颖方法来使用这种有应用潜力但是目前仍问题的储能材料。硅被用于电脑芯片和许多其他产品，因具有十倍于石墨负极的储锂容量，被认为是下一代锂离子电池的理想负极。然而，硅负极在锂化/去锂化过程中涉及巨大的体积变化，导致其循环稳定性较差，并且太弱而无法承受电极制造的压力，制约了硅基负极的实际应用。

为了解决这些问题，PNNL研究人员JiguangZhang（Jason）和XiaolinLi带领的团队开发了一种独特的纳米结构，该结构利用碳材料在限制硅膨胀的同时还强化了硅。该研究成果发表在《NatureCommunications》上，为其他类型的电池供应了新的设计思路，并最终帮助提高电动汽车、电子设备和其他设备中锂离子电池的能量容量。

消除硅的弊端

作为一种导电且稳定的碳，石墨非常适合在电池充电时将锂离子打包到电池的阳极中。硅比石墨能吸收更多的锂，但它的体积会膨胀300%，导致阳极破裂。研究人员通过将小硅颗粒聚集成直径约8微米的微球——大约一个红细胞的大小——来制造出多孔的硅。石墨是碳的一种导电且稳定的形式，非常适合在充电时将锂离子填充到电池的负极中。硅可以比石墨吸收更多的锂，但它的体积往往会膨胀300%，导致负极破裂。研究人员通过将小硅颗粒聚集成直径约8微米的微球——大约一个红细胞的大小——来制造出多孔形式的硅。

PNNL的JasonZhang在高级电池设施中来源：PNNL

Zhang说：“例如，像石头这样的固体材料，假如体积膨胀太大，就会破裂。”“我们创造的东西更像海绵，内部有空间吸收膨胀。”

研究发现，具有多孔硅结构的电极的厚度变化小于20％，同时容纳的电荷是典型石墨负极的两倍。但是，与以前版本的多孔硅不同，由于碳纳米管使微球类似于纱线球，因此微球也显示出非凡的机械强度。

超强微球

研究人员分几个步骤制备了这种结构：首先在碳纳米管上涂上氧化硅。接下来，将纳米管放入油和水的乳液中。然后将它们加热至沸腾。

Li说：“当水蒸发时，涂覆的碳纳米管会凝结成球形。”“然后，我们使用铝和更高的热量将氧化硅转化为硅，然后浸入水和酸中以去除副产物。”从这个过程中出现的是一种由碳纳米管表面的硅微粒组成的粉末。

利用原子力显微镜探针测试了多孔硅球的强度。作者发现，其中一个纳米纱线球“在非常高的压缩力下可能会出现轻微的屈服，并失去一些孔隙，但它不会破裂。”

这预示着商业化的发展，因为负极材料必须在制造过程中能够承受辊子的高压缩。Zhang说，下一步是开发出更具可扩展性和经济性的制造硅微球的方法，以便它们有一天能够应用到下一代高性能锂离子电池中。

来源：PacificNorthwestNationalLaboratory，Carbontech