石墨一直以來也是制備鋰離子電池的重要材料。然而，隨著電池需求的增長，石墨電極也會被淘汰。為此，科學(xué)家更加看重處于數(shù)字革命中的核心元素：硅。硅作為儲能材料，機(jī)遇與挑戰(zhàn)共存。美國能源部太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)的科學(xué)家提出了一種利用這種毀譽(yù)參半儲能材料的新方法。相比石墨10倍的電荷容量，計(jì)算機(jī)芯片和許多其他產(chǎn)品上使用的硅極具吸引力。但問題是，當(dāng)遇到鋰時(shí)，硅會大幅度膨脹，而且過于脆弱，無法承受電極制造過程的壓力。為了解決這些問題，PNNL研究人員張繼光(Jason)和李曉林(Li Xiaolin)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)來控制硅的膨脹，同時(shí)用碳加固。

石墨傳導(dǎo)性良好，且是穩(wěn)定形態(tài)的碳，便于在充電時(shí)將鋰離子接收至電池負(fù)極。硅比石墨可容納更多的鋰，但3倍左右的體積膨脹會導(dǎo)致負(fù)極破裂。通過將小的硅顆粒粘合成直徑約 8 μm、與紅細(xì)胞大小相當(dāng)?shù)奈⑶?，研究人員制備出了一種多孔形態(tài)的硅。張繼光表示：“像石頭這樣的固體材料，如果體積膨脹過大，就會破裂，我們創(chuàng)造的東西更像海綿，內(nèi)部空間可以消納體積膨脹?！毖芯堪l(fā)現(xiàn)，具有多孔結(jié)構(gòu)的硅電極的厚度變化小于20%，而電荷容量是普通石墨負(fù)極的兩倍。但與以往的多孔硅不同，由于碳納米管的存在，其形狀更像紗線球，這種微球同時(shí)表現(xiàn)出極高的機(jī)械強(qiáng)度。這對于商業(yè)化是好兆頭，因?yàn)樨?fù)極材料必須能夠在制造過程經(jīng)受住滾子的高壓。研究人員通過幾個(gè)步驟創(chuàng)造了這種結(jié)構(gòu)，首先是用氧化硅包覆碳納米管。隨后，納米管被放入油和水的乳液中，然后加熱到沸騰。水蒸發(fā)后，硅包覆的碳納米管縮聚成球體，然后加入鋁并在高溫下將氧化硅轉(zhuǎn)化為硅，隨后浸泡在水和酸中去除副產(chǎn)品。經(jīng)過上述過程最終形成了一種粉末物質(zhì)(微小硅粒子附著在碳納米管表面形成的顆粒)。下一步的目標(biāo)是開發(fā)規(guī)?；?、更經(jīng)濟(jì)的硅微球制造方法，為新一代高性能鋰離子電池鋪平道路。

[靳愛民摘譯自 SciTechDaily，2020-04-28]