（文章來源：教育新聞網(wǎng)）

您可以在鉛筆的筆尖找到的相同材料-石墨-長期以來一直是當今鋰離子電池的關(guān)鍵組件。但是，隨著我們對這些電池的依賴增加，石墨基電極將需要升級。為此，科學家正在尋找數(shù)字革命核心要素：硅。

美國能源部太平洋西北國家實驗室的科學家們提出了一種新穎的方法來使用這種有前途但有問題的儲能成分。用于計算機芯片和許多其他產(chǎn)品的硅具有吸引力，因為與石墨相比，硅每克可以容納10倍的電荷。問題是，硅在遇到鋰時會大大膨脹，并且太弱而無法承受電極制造的壓力。

為了解決這些問題，由PNNL研究人員張繼光(Jason)張和李小林帶領(lǐng)的團隊開發(fā)了一種獨特的納米結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在限制硅膨脹的同時還用碳強化了硅。他們的工作最近發(fā)表在《自然通訊》雜志上，可以為其他類型的電池提供新的電極材料設(shè)計信息，并最終幫助提高電動汽車，電子設(shè)備和其他設(shè)備中鋰離子電池的能量容量。

石墨是碳的一種導電且穩(wěn)定的形式，非常適合在充電時將鋰離子填充到電池的陽極中。硅可以吸收比鋰更多的鋰，但硅往往會膨脹約300%的體積，導致陽極破裂。研究人員通過將小的硅顆粒聚集成直徑約8微米的微球(大致相當于一個紅血球的大小)來制造多孔形式的硅。

張說：“例如，像石頭這樣的固體材料，如果體積膨脹太大，就會破裂。”“我們創(chuàng)造的東西更像海綿，內(nèi)部有空間吸收膨脹。”

研究發(fā)現(xiàn)，具有多孔硅結(jié)構(gòu)的電極的厚度變化小于20%，同時容納的電荷是典型石墨陽極的兩倍。但是，與以前版本的多孔硅不同，由于碳納米管使微球類似于紗線球，因此微球也顯示出非凡的機械強度。研究人員分幾步創(chuàng)建了結(jié)構(gòu)，首先是用氧化硅涂覆碳納米管。接下來，將納米管放入油和水的乳液中。然后將它們加熱至沸騰。

李說：“當水蒸發(fā)時，涂覆的碳納米管會凝結(jié)成球形。”“然后，我們使用鋁和更高的熱量將氧化硅轉(zhuǎn)化為硅，然后浸入水和酸中以去除副產(chǎn)物。”從該過程中產(chǎn)生的是由碳納米管表面上的微小硅顆粒組成的粉末。

使用原子力顯微鏡的探針測試了多孔硅球的強度。作者發(fā)現(xiàn)，其中一種納米級的紗線球“在非常高的壓縮力下可能會屈服并失去一些孔隙，但不會破裂。”這預示著商業(yè)化的發(fā)展，因為陽極材料必須在制造過程中能夠承受輥子的高壓縮。張說，下一步是開發(fā)出更具可擴展性和經(jīng)濟性的制造硅微球的方法，以便它們有一天能進入下一代高性能鋰離子電池。
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