像石榴种子一样聚集硅纳米颗粒，解决锂离子电池的问题

一种新颖的电池电极具有硅纳米颗粒，如韧性碳状皮上的石榴种子。（格雷格斯图尔特/斯拉克的插图）

使用微乳液技术，SLAC国家加速器实验室的研究人员已经开发出一种新的锂离子电池设计，它使用硅纳米粒子聚集，如石榴种子。

Menlo Park，加利福尼亚 - 设计如石榴 - 用硅纳米粒子的电极在坚韧的碳外皮中聚集在种子中，克服了几种剩余的障碍，用于新一代锂离子电池，在斯坦福大学和该部门表示其发明者。能源斯拉克国家加速器实验室。

虽然仍然存在几个挑战，但这种设计使我们更接近较小，更轻，更强大的电池，适用于手机，平板电脑和电动汽车等产品中的硅阳极，“斯坦福和Slac的副教授致cu该研究今天报道了自然纳米技术。

“实验表明，即使在充电和放电1,000次循环之后，我们的石榴激励阳极在97％的容量下运行，这使得在商业运营范围内。”

最佳：硅纳米颗粒被含碳“卵黄壳”包裹并在石榴中聚集在种子中。每个簇具有碳切状物，将其固定在一起，进行电力并最大限度地减少与电池的电解质降低性能的反应。底部：硅纳米粒子在电池充电期间膨胀，以完全填充它们的卵黄壳;没有浪费空间，贝壳保持完整。（刘刘，志达陆和易翠/斯坦福）

阳极或负电极是在电池电荷时存储能量的地方。硅阳极可以存储比当今可充电锂离子电池中的石墨阳极更多的10倍，但它们也具有主要的缺点：脆性硅膨胀并在电池充电期间脱落，并且它与电池的电解质反应形成涂层阳极并降低其性能的垃圾。

在过去的八年里，崔的团队通过使用硅纳米线或纳米颗粒来解决破损问题，该纳米线或纳米颗粒太小而不能破碎成少的位，并在碳“卵黄壳”中包装纳米颗粒，使其在充电期间膨胀并收缩。

新的研究建立在这项工作。研究生Nian Liu和博士后研究员Zhenda Lu使用了一种微乳液技术在石油，油漆和化妆品行业中将硅蛋黄壳聚集成簇，并用第二层厚的碳涂覆每个簇。这些碳紧迫将石榴簇固定在一起，为电流提供坚固的高速公路。

并且由于每个石榴簇仅在其内部的近进颗粒的表面积，因此将更小的区域暴露于电解质，从而减少了形成到可管理水平的垃圾量。

通过精确地控制用于制造它们的过程，斯坦福和斯塔克研究人员可以生产用于硅电池阳极的特定尺寸的石榴簇。剩下：显微镜簇形成可涂在箔上的细小黑色粉末以产生阳极。中间：单个群集。对：在该簇的这种特写镜头中，可以在其卵黄壳内看到硅纳米粒子，在电池充电期间具有空间膨胀。（刘刘，志达陆和易翠/斯坦福）

虽然簇太小，但均匀地看到，它们在一起形成一个可用于涂覆一块箔并形成阳极的细小黑色粉末。实验室测试显示，石榴阳极在商业电池性能所需的厚度时工作得很好。

虽然这些实验表明了技术作品，但崔说，该团队将不得不解决两个问题，以使其在商业规模上可行：他们需要简化该过程并找到一种更便宜的硅纳米颗粒来源。一个可能的来源是稻壳：它们不适合人类食物，由数百万吨和20％的二氧化硅按重量产生20％。根据刘的说法，它们可以相对容易地转化为纯硅纳米粒子，因为他的团队最近在科学报告中描述。

“对我来说，看看我们在过去七年或八年内完成了多少进展，”崔说，“以及我们如何逐个解决问题。”

该研究团队还包括Jie Zhao，Matthew T. McDowell，Hyun-Wook Lee和Toding Stanford。崔是斯坦福大学材料和能源科学研究所的成员，斯坦福大学/斯坦福学院。该研究由能效和可再生能源的DOE办事处资助。

SLAC是一个多程序实验室，致力于探索光子科学，天体物理学，粒子物理学和加速器研究中的前沿问题。SLAC位于加利福尼亚州门洛帕克（Menlo Park），由斯坦福大学（Stanford University）负责美国能源部科学办公室。

出版物：Nian Liu，等，“一种石榴激发的纳米级设计，适用于大批量改变锂电池阳极，”自然纳米技术，2014; DOI：10.1038 / nnano.2014.6

图片：Greg Stewart / Slac; Nian Liu，Zhenda Lu和Yi Cui / Stanford