硅負極結構為鋰離子電池帶來了新的發展潛力

沖繩科學技術研究生院(OIST)進行的一項新研究，發現了一種可以提高鋰離子電池性能的特殊內部結構。這種基于納米技術制造的特殊結構的研究發表在《Communications Materials》雜志上，并進行了解釋。大功率、便攜和可充電的鋰離子電池是現代技術的重要組成部分，智能手機、筆記本電腦和電動汽車中很常見。

通常石墨作為鋰離子電池的負極，但這種碳材料有很大的局限性。在石墨負極中，存儲一個鋰離子需要6個碳原子，所以這些電池的能量密度很低。目前，在科學研究和工業領域，探索利用鋰離子電池作為電動汽車和飛機動力的過程中，提高能量密度是關鍵。研究人員現在正在尋找能夠提高存儲鋰離子數量的新負極材料。最有希望的候選材料之一是硅，每個硅原子可與4個鋰離子結合。相同體積的硅負極材料儲存的電荷量是石墨負極的10倍，即能量密度提高一個數量級。

問題是，當鋰離子進入硅負極時，體積變化很大，高達400%左右，導致電極破碎并斷裂。體積劇烈變化不利于電解質和負極之間保護層的穩定。電池每充電一次界面層就會跟著變化一次，直至有限的鋰離子被消耗殆盡，電池壽命和可充電性能下降。

研究人員表示：“我們的目標是制造出一種強度更高的負極材料，能夠抵抗這些壓力，容納盡可能多的鋰，確保在失效之前有足夠的循環壽命。采用的方法是利用納米顆粒構建一種結構。2017年發表在《Advanced Science》雜志上的一篇論文中提到，現已解散的OIST納米顆粒設計團隊開發了一種類似蛋糕的層狀結構，硅層與金屬鉭納米顆粒形成三明治結構。……