電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
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鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
鉛筆頭上的材料-石墨同樣也一直是如今鋰離子電池的關鍵組成部分。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該進一步升級。因此，科學家們找到了數字革命的核心元素——硅。
（圖片來源：西北太平洋國家實驗室）
據外媒報道，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品，因每克硅的電荷量是石墨的10倍，因而備受關注。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的研究人員研發了一種獨特的納米結構，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新型電極材料設計，并最終有助于提高電動汽車、電子設備和其他設備鋰離子電池的能量容量。
作為一種導電且穩定的碳，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。我們打造的結構更像海綿，內部有空間會吸收膨脹。”
研究發現，當比普通石墨電極多容納兩倍電荷時，多孔硅結構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構。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：“當水蒸發時，涂覆了氧化硅的碳納米管會凝結成球狀。然后，用鋁和更高的熱量，將氧化硅轉化為硅，再浸入到水和酸中，除去衍生物。”該過程會出現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，結果發現，其中納米大小的紗線球在非常高的壓縮力下會出現輕微的彎曲，并失去一些孔隙，但是不會破裂。
這一結果關于實現此種材料的商業化是一個好兆頭，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，下一步將研發更具擴展性、更經濟的方法，來制造硅微球，從而未來能夠生產出新一代高性能鋰離子電池。
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