下一代锂离子电池负极材料：硅负极【钜大锂电】

提起硅负极你想到的是什么呢？大容量、高体积膨胀？硅负极作为新一代的锂离子电池负极材料，其容量最高可达4200mAh/g，是石墨负极材料的10倍以上，是最具希望的下一代锂离子电池负极材料。

在这耀眼的光环下，硅负极也存在着难以克服的缺点，这重要源于硅负极在嵌锂过程中严重的体积膨胀，在完全嵌锂状态下，硅负极的体积膨胀可达300%，这会造成材料颗粒的粉化和脱落，严重影响其电化学性能。人们竭力减少硅负极材料的体积膨胀，例如纳米颗粒、薄膜电极、碳包覆处理等方法，都是人们为克服硅负极膨胀所做出的努力。体积膨胀有关锂离子电池是一个坏消息，但是让我们换个角度考虑一下，硅负极巨大的体积膨胀是不是还有一些特使的用途呢？

清华大学的JialiangLang等人就利用了硅负极在充放电过程中的体积膨胀开发了一款“微型起重机”。该“微型起重机”实际上是一个软包锂离子电池，其正极采用了体积变化很小的LiFePO4材料，而负极使用了硅负极材料，电池容量为2.1Ah。并利用该电池进行了“举水实验”，在实验中该电池通过充电“举起”了637.5g的水，在完全充电状态下电池膨胀所出现的压强达到了25.8KPa，在后续的循环过程中出现了平均21KPa的压力。后续的研究表明，该电池能够出现的最高压力可达17MPa。在整个充放电电压平台期间，该电池可以持续出现10MPa以上的压力。在该过程中，充电出现的能量分为3部分，一部分转化为机械能，一部分转换为化学能储存在电池中，一部分则转化为热能耗散了。

当然有关一款意在将电能转换为机械能的设备，快速的响应的能力自然是十分重要的，JialiangLang对电池在快速充放电模式下，体积膨胀的响应速度进行了研究。研究表明电池膨胀对脉冲电流有着很好的响应速度。并且膨胀距离与充电时间基本呈现线性关系，在2A/g的电流密度下，膨胀速度为1.6nm/s，因此该方法可以用于纳米精度的定位。电池的膨胀速度重要与硅负极的面密度、电池厚度和电流密度相关，因此在电池定型的前提下，我们可以通过控制电流的方式来控制电池的膨胀速度，从而达到我们所要的控制精度。在该研究中，Si负极的容量发挥仅为800mAh/g，因此该“微型起重机”还有很大的提升空间。该“微型起重器”能够精确的出现纳米尺度的位移，并能承受巨大的负载，因此可以应用在一些要在纳米级高精度定位的领域，例如操作扫描隧道显微镜的探针等。反其道而行之，往往能取得不错的效果。