独特的纳米结构使得使用硅用于电池阳极的速度

由于添加了使球体类似于纱线的球形，硅微球具有非凡的机械强度。在该表示中，左侧的图像示出了由沉积在碳纳米管上的硅纳米颗粒制成的微球的一部分的特写。

新型纳米结构设计为有前途的储存成分提供了非凡的强度。

在铅笔石墨的尖端，您可以找到相同的材料 - 长期以来一直是当今锂离子电池中的关键部件。然而，由于我们对这些电池的依赖性增加，基于石墨的电极是由于升级。为此，科学家正在寻求数字革命核心的元素：硅。

美国能源部的科学家们的西北地区国家实验室提出了一种使用这一有前途但有问题的能量储存成分的新方法。用于计算机芯片和许多其他产品的硅是吸引人的，因为它可以与石墨保持每克电荷的10倍。麻烦是，当它遇到锂时，硅膨胀得很大，并且它太弱，无法承受电极制造的压力。

为了解决这些问题，由PNNL研究人员领导的团队ji-guang（杰森）张和小林李开发了一个独特的纳米结构，限制硅的扩张，同时强化碳。他们的工作最近在自然通信中发表的，可以为其他类型的电池通知新电极材料设计，最终有助于提高电动汽车，电子设备和其他设备中锂离子电池的能量。

脱离硅子

导电且稳定的碳形式，石墨非常适合将锂离子填充到电池的阳极中。硅可以比石墨更多的锂，但它倾向于气球体积约300％，导致阳极分裂。研究人员通过将小硅颗粒聚集在直径约8微米的微球中来产生多孔形式的硅 - 大致尺寸为一个红细胞。

“例如，像石头一样的坚固物质，如果它的速度太大，就会破裂，”张说。“我们创造的是更多的海绵状，其中有空间吸收扩张。”

研究发现，具有多孔硅结构的电极表现出小于20％的厚度的变化，同时容纳典型石墨阳极的两倍，该研究发现。然而，与以前的多孔硅版本不同，微球也表现出非凡的机械强度，感谢使球体类似于纱线的球形纳米管。

超强的微球

研究人员在几个步骤中创造了结构，从涂覆氧化硅碳纳米管开始。接下来，将纳米管置于油和水的乳液中。然后他们被加热到沸腾。

“当水蒸气蒸发时，涂覆的碳纳米管凝结成球体，”李说。“然后我们使用铝和更高的热量将氧化硅转化为硅，然后浸入水和酸中以除去副产物。”从过程中出现的是一种由碳纳米管表面上的微小硅颗粒组成的粉末。

使用原子力显微镜的探针测试多孔硅球的强度。作者发现，其中一个纳米纱线球“可以在非常高的压缩力下略微产生并失去一些孔隙率，但不会破裂。”

这是为了商业化，因为阳极材料必须能够在制造过程中处理高压缩。下一步，张说，是制定更可扩展和经济的制造硅片微球的方法，使他们可以一天能够进入下一代高性能锂离子电池。

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参考：“具有特殊机械强度的等级多孔硅结构作为高性能锂离子电池阳极”“通过海平佳，小林李，俊华歌，新章，朗丽罗，杨鹤，梁李，云彩，沉阳胡，兴城晓， Chongmin Wang，Kevin M. Rosso，Ran Yi，Rajankumar Patel和Ji-Guang Zhang，3月19日2020年3月19日，Nature Communications.doi：
10.1038 / s41467-020-15217-9

该研究还包括提交人Jiping Jia，Junhua Song，Xin Zhang，Langli Luo，Yang He，Binsong Li，Yun Cai，沉阳胡，Chongmin Wang，Kevin M. Rosso，Ran Yi，Rajankumar Patel，所有PNNL，Xingchen Xiao通用汽车研究与开发中心。该研究得到了能源能源效率和可再生能源部的车辆技术办公室的支持。微观和光谱测量是在EMSL，环境分子科学实验室，PNNL的DOE办公室办公室进行。