鉛筆頭上的材料-石墨同樣也一直是如今鋰離子電池的關(guān)鍵組成部分。不過，隨著人們對此類電池越來越依賴，基于石墨烯的電極應(yīng)該進一步升級。因此，科學(xué)家們找到了數(shù)字革命的核心元素——硅。

（圖片來源：西北太平洋國家實驗室）

據(jù)外媒報道，美國能源部西北太平洋國家實驗室（theU.S.DepartmentofEnergy'spacificNorthwestNationalLaboratory，pNNL）的科學(xué)家們找到了一種新方法，能夠利用此種前景很好、但是問題也多多的儲能成分。硅通常用于計算機芯片和很多其他產(chǎn)品，因每克硅的電荷量是石墨的10倍，因而備受關(guān)注。問題是，硅在遇到鋰時，會急劇膨脹，而且過于脆弱，無法承受制造電極時的壓力。

為了解決此類問題，pNNL的研究人員研發(fā)了一種獨特的納米結(jié)構(gòu)，可以限制硅膨脹，同時還用碳將其強化。該研究可能會為其他類型的電池供應(yīng)新型電極材料設(shè)計，并最終有助于提高電動汽車、電子設(shè)備和其他設(shè)備鋰離子電池的能量容量。

作為一種導(dǎo)電且穩(wěn)定的碳，石墨非常適合用于在充電時將鋰離子填入陽極中。與石墨相比，硅能夠吸收很多的鋰，但是體積也會膨脹3倍，導(dǎo)致陽極破裂。研究人員將微小的硅顆粒聚集成直徑約為8微米的微球（大約是一個紅血球大小），打造了多孔硅。

研究人員表示：“例如，像石頭等固體材料，假如體積膨脹得太大就會破裂。我們打造的結(jié)構(gòu)更像海綿，內(nèi)部有空間會吸收膨脹?！?/p>

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)比普通石墨電極多容納兩倍電荷時，多孔硅結(jié)構(gòu)電極的厚度變化小于20%。與之前的多孔硅不同，得益于讓微球變得像紗線球的碳納米管，該微球也表現(xiàn)出非凡的機械強度。

研究人員通過在碳納米管上涂覆氧化硅，分幾個步驟打造了該結(jié)構(gòu)。接下來，該納米管被放入水與油的乳狀液體中，然后加熱至沸騰。研究人員表示：“當(dāng)水蒸發(fā)時，涂覆了氧化硅的碳納米管會凝結(jié)成球狀。然后，用鋁和更高的熱量，將氧化硅轉(zhuǎn)化為硅，再浸入到水和酸中，除去衍生物?！痹撨^程會出現(xiàn)一種由碳納米管表面微小硅微粒組成的粉末。

研究人員利用原子力顯微鏡探針測試了該多孔硅球的強度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其中納米大小的紗線球在非常高的壓縮力下會出現(xiàn)輕微的彎曲，并失去一些孔隙，但是不會破裂。

這一結(jié)果關(guān)于實現(xiàn)此種材料的商業(yè)化是一個好兆頭，因為陽極材料在制造過程中必須能夠承受滾軸的高壓縮力。研究人員表示，下一步將研發(fā)更具擴展性、更經(jīng)濟的方法，來制造硅微球，從而未來能夠生產(chǎn)出新一代高性能鋰離子電池。