硅负极结构为锂离子电池带来了新的发展潜力

冲绳科学技术研究生院(OIST)进行的一项新研究，发现了一种可以提高锂离子电池性能的特殊内部结构。这种基于纳米技术制造的特殊结构的研究发表在《Communications Materials》杂志上，并进行了解释。大功率、便携和可充电的锂离子电池是现代技术的重要组成部分，智能手机、笔记本电脑和电动汽车中很常见。

通常石墨作为锂离子电池的负极，但这种碳材料有很大的局限性。在石墨负极中，存储一个锂离子需要6个碳原子，所以这些电池的能量密度很低。目前，在科学研究和工业领域，探索利用锂离子电池作为电动汽车和飞机动力的过程中，提高能量密度是关键。研究人员现在正在寻找能够提高存储锂离子数量的新负极材料。最有希望的候选材料之一是硅，每个硅原子可与4个锂离子结合。相同体积的硅负极材料储存的电荷量是石墨负极的10倍，即能量密度提高一个数量级。

问题是，当锂离子进入硅负极时，体积变化很大，高达400%左右，导致电极破碎并断裂。体积剧烈变化不利于电解质和负极之间保护层的稳定。电池每充电一次界面层就会跟着变化一次，直至有限的锂离子被消耗殆尽，电池寿命和可充电性能下降。

研究人员表示：“我们的目标是制造出一种强度更高的负极材料，能够抵抗这些压力，容纳尽可能多的锂，确保在失效之前有足够的循环寿命。采用的方法是利用纳米颗粒构建一种结构。2017年发表在《Advanced Science》杂志上的一篇论文中提到，现已解散的OIST纳米颗粒设计团队开发了一种类似蛋糕的层状结构，硅层与金属钽纳米颗粒形成三明治结构。这种硅负极结构完整性提高，防止了过度膨胀。

在利用不同厚度的硅层进行实验，观察硅层对材料强度的影响时，研究人员发现了一些奇怪的现象。当硅层达到某一厚度时，材料的强度完全变了，材料随着厚度增加变得越来越硬，当硅层厚度进一步增加时，硬度反而迅速下降。研究者受到了启发，但当时还不知道发生这种变化的根本原因。现在的这篇论文对于在临界厚度强度急剧增加给出了最后解释。通过显微镜技术和原子水平的计算机模拟，研究人员发现，当硅原子沉积在纳米颗粒层上时，不会形成均匀的薄膜。恰好相反，它们会形成倒锥状柱体，随着更多的硅原子沉积，硅柱变得越来越粗，最终孤立的硅柱互相搭接，形成拱形结构。这种拱形结构很牢固，与土木工程中的拱形结构类似。这一概念同样适用于纳米尺度。重要的是，结构强度的增加也与电池性能的提高相契合。科学家们在进行电化学测试时发现，锂离子电池的充电容量增加，保护层也更稳定，这表明电池经得起多次充放电考验。

然而，稳定的拱形结构只会在接触一瞬间形成。在此之前，孤立的柱子不稳定，因此不能形成结构完整的负极。柱体接触后，如果继续沉积硅，就会形成一种带有空洞的多孔膜，这种结构很脆弱，与海绵类似。

这种拱形结构及特性表明，它不仅可以作为锂离子电池硅负极材料商业化的重要手段，而且在材料科学中还有许多其他潜在的用途。高强度人工器官或储氢材料需要承受各种压力，必须采用拱形结构。所需材料的确切类型(无论软、硬，或韧或刚)都可以通过简单地改变层的厚度来精确调控，这就是纳米结构的魅力所在。