美研发新电池设计 或实现硅阳极锂电商业化

近日，美国斯坦福大学及其能源系直线加速实验室的科研人员提出一种新的纳米级设计理念。该设计理念基于石榴的内部排列，可提高使用硅做阳极的电池储能容量。该科研小组的负责人崔怡（音）教授表示：“尽管还存在一些挑战，这种设计还是让我们向手机、平板电脑、电动汽车等要更小、更轻、更强的电池的设备迈进了一大步。该研究论文发表在《自然—纳米技术》。

科研小组在研究论文中简单介绍了这种基于石榴的设计概念：硅纳米粒子和导电碳层为电池的嵌锂和脱锂供应了足够的膨胀、压缩空间。这些混合粒子随后被封入较厚的微米级别的碳层，作为电解液壁垒。

论文指出，硅阳极为层级结构的电池在100次充放电后，容量为原来的97%。此外，由于这种微结构减少了电极—电解液的接触面积，电池的库伦效率(99.87%)和体积容量(1,270mAhcm-3)较高。当区域容量新增到商业锂电的水平（3.7mAhcm-2），电池的充放电循环仍然保持在稳定状态。

从理论角度讲，硅的触电容量是石墨的10倍，非常适合制作储能设备的阳极。硅可以用作传统锂离子电池，或者Li–O2和锂硫电池中，替换树突状的锂金属阳极。

但是，使用硅做锂离子电池阳极面对的挑战包括：1)结构劣化和充放电过程中较大的容量变化（~300%）导致固态电解液界面的不稳定；2）电解液发生副反应；3）材料减小到纳米级别时，容量降低。

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科研人员指出，石榴设计的两个相互关联性使硅阳极锂电具有优越的性能：1）内部可以扩大的空间；2）SEI（固态电解液界面）的形成在空间上受到限制。在过去几年，科研小组已经解决了结构劣化的问题。该科研小组表示，他们还要简化整个制作流程以及硅纳米粒子的廉价来源。由于二氧化硅占稻壳重量的20%，因此，稻壳很可能成为硅的廉价来源之一。科研人员可以使用较为简单的方法将稻壳中的二氧化硅转为纯的硅纳米粒子。

该研究项目得到了美国能源部能源效率和可再生能源办公室的资金支持。