研究发现拱形结构的纳米硅阳极 可以大大提高锂电池的容量

冲绳科学技术研究生大学（OIST）进行的一项新研究发现了一种改进锂离子电池阳极的特殊构造块。这种利用纳米颗粒技术构建的结构的独特特性今天在通信材料中得到了揭示和解释。

锂离子电池是现代科技的重要组成部分，功能强大、携带方便、可充电，广泛应用于智能手机、笔记本电脑和电动汽车。2019年，随着我们远离化石燃料，他们在未来彻底改变我们储存和消耗电力的方式的潜力得到了显著认可，诺贝尔奖共同授予了新的OIST理事会成员AkiraYoshino博士，表彰他在开发锂离子电池方面的工作。

传统上，石墨用于锂离子电池的阳极，但这种碳材料有很大的局限性。

当电池充电时，锂离子被迫从电池的一侧（阴极）通过电解液移动到电池的另一侧（阳极）。然后，当使用电池时，锂离子会移回阴极，并从电池中释放电流，但在石墨阳极中，储存一个锂离子需要六个碳原子，因此这些电池的能量密度很低。

目前，科学界和工业界正在探索利用锂离子电池为电动汽车和航天飞机提供动力，因此提高能量密度至关重要。研究人员现在正在寻找新的材料，可以增加锂离子储存在阳极的数量。

最有希望的候选材料之一是硅，它可以为每一个硅原子绑定四个锂离子。

哈罗博士说：“硅阳极在一定体积内所能储存的电荷是石墨阳极的十倍，就能量密度而言，这一数量级要高出整整一个数量级。问题是，当锂离子进入阳极时，体积变化很大，高达400%左右，这会导致电极断裂。”

大的体积变化也阻止了电解质和阳极之间保护层的稳定形成。因此，每次给电池充电时，这一层必须不断地改造，耗尽有限的锂离子供应，并缩短电池的寿命和可充电性。

该论文的资深作者Grammatikopoulos博士说：“我们的目标是试图创造一种更坚固的阳极，能够抵抗这些压力，能够吸收尽可能多的锂，并确保尽可能多的充电循环，以免变质，我们采取的方法是用纳米颗粒构建一个结构。”

在第一阶段，硅薄膜以刚性但不稳定的柱状结构存在。在第二阶段，柱子在顶部接触，形成拱形结构，由于拱的作用，拱形结构很坚固。在第三阶段，硅原子进一步沉积形成海绵状结构。红色虚线显示了硅在施力时是如何变形的。

在2017年发表在《高级科学》上的一篇论文中，现在解散的OIST纳米颗粒由DesignUnit开发了一种蛋糕状的层状结构，每层硅都夹在钽金属纳米颗粒之间。这改善了硅阳极的结构完整性，防止过度膨胀。

在对不同厚度的硅层进行实验以了解其对材料弹性性能的影响时，研究人员发现了一些奇怪的现象。

在硅层的特定厚度处有一个点，结构的弹性性质完全改变了。正在进行这项实验的OIST现任博士生西奥•布卢米斯（theobouloumis）说：“材料逐渐变硬，但随着硅层厚度的增加，刚度迅速下降。我们有一些想法，但当时，我们不知道这一变化背后的根本原因。”

新的论文最后解释了在一个临界厚度处刚度突然增加的原因。通过显微镜技术和原子水平的计算机模拟，研究人员表明，当硅原子沉积在纳米颗粒层上时，它们不会形成均匀的薄膜。相反，它们形成了倒锥状的柱，随着沉积的硅原子越来越多，柱越来越宽。最终，单个硅柱相互接触，形成拱形结构。

Grammatikopoulos博士说：“拱形结构很坚固，就像土木工程中的拱门一样坚固。同样的概念也适用于纳米尺度。”

重要的是，结构强度的提高也与电池性能的提高相吻合。当科学家们进行电化学测试时，他们发现锂离子电池的充电容量增加了。保护层也更稳定，这意味着电池可以承受更多的充电周期。

这些改进只有在柱子接触的那一刻才能看到。在这一时刻发生之前，单个的支柱是摇摆不定的，因此不能为阳极提供结构完整性。如果硅沉积在柱接触后继续进行，它会形成一个有许多空隙的多孔膜，从而产生一种微弱的海绵状行为。

这种拱形结构及其独特性能的揭示不仅是锂离子电池硅阳极走向商业化的重要一步，而且在材料科学领域也有许多潜在的应用。

Grammatikopoulos博士说：“拱形结构可以在需要坚固且能承受各种应力的材料时使用，例如用于生物植入或储存氢气。你只需要知道材料的确切类型是更硬或更软，更灵活或更不灵活，只需改变层的厚度就可以精确地实现，这就是纳米结构的美。”