独特的纳米结构使得用硅作为电池负极成为可能

石墨一直以来也是制备锂离子电池的重要材料。然而，随着电池需求的增长，石墨电极也会被淘汰。为此，科学家更加看重处于数字革命中的核心元素：硅。硅作为储能材料，机遇与挑战共存。美国能源部太平洋西北国家实验室(PNNL)的科学家提出了一种利用这种毁誉参半储能材料的新方法。相比石墨10倍的电荷容量，计算机芯片和许多其他产品上使用的硅极具吸引力。但问题是，当遇到锂时，硅会大幅度膨胀，而且过于脆弱，无法承受电极制造过程的压力。为了解决这些问题，PNNL研究人员张继光(Jason)和李晓林(Li Xiaolin)领导的团队开发了一种独特的纳米结构来控制硅的膨胀，同时用碳加固。

石墨传导性良好，且是稳定形态的碳，便于在充电时将锂离子接收至电池负极。硅比石墨可容纳更多的锂，但3倍左右的体积膨胀会导致负极破裂。通过将小的硅颗粒粘合成直径约 8 μm、与红细胞大小相当的微球，研究人员制备出了一种多孔形态的硅。张继光表示：“像石头这样的固体材料，如果体积膨胀过大，就会破裂，我们创造的东西更像海绵，内部空间可以消纳体积膨胀。”研究发现，具有多孔结构的硅电极的厚度变化小于20%，而电荷容量是普通石墨负极的两倍。但与以往的多孔硅不同，由于碳纳米管的存在，其形状更像纱线球，这种微球同时表现出极高的机械强度。这对于商业化是好兆头，因为负极材料必须能够在制造过程经受住滚子的高压。研究人员通过几个步骤创造了这种结构，首先是用氧化硅包覆碳纳米管。随后，纳米管被放入油和水的乳液中，然后加热到沸腾。水蒸发后，硅包覆的碳纳米管缩聚成球体，然后加入铝并在高温下将氧化硅转化为硅，随后浸泡在水和酸中去除副产品。经过上述过程最终形成了一种粉末物质(微小硅粒子附着在碳纳米管表面形成的颗粒)。下一步的目标是开发规模化、更经济的硅微球制造方法，为新一代高性能锂离子电池铺平道路。

[靳爱民摘译自 SciTechDaily，2020-04-28]