知道硅失效为更高容量锂电池的研究开辟了道路

在硅线锂离子电池中，电解质会剥离硅，这会阻碍电子通路并大大降低这些有前途的设备的充电能力。

新论文（自然纳米技术，“Progressivegrowthofthesolid–electrolyteinterphasetowardstheSianodeinteriorcausescapacityfading”）确定该过程开辟了新的研究途径，最终利用硅的巨大潜力彻底改变高容量、持久的从手机到汽车的各种电池。

洛斯阿拉莫斯国家实验室工作人员科学家、论文的通讯作者JinkyoungYoo说，有了这一新认识，我们建议通过开发一种将硅与电解质隔离的涂层方法来提高硅纳米线锂离子电池的性能。Yoo是综合技术中心(CINT)的半导体纳米材料种植者，该中心是洛斯阿拉莫斯和桑迪亚国家实验室的能源部用户设施。

在不锈钢圆盘上生长的硅纳米线的照片（从左上角顺时针）以侧视图、顶视图和宏观视图显示。磁盘大约有四分之一大小。NatureNanotech的新研究发现了限制硅在锂离子电池中使用的过程，并确定了克服这些问题的研究途径。具有硅阳极的电池的电存储容量是具有典型石墨基阳极的电池的10倍。（图片：洛斯阿拉莫斯国家实验室）

该研究由来自一系列国家实验室和大学的合作者进行，通过低温扫描透射电子显微镜（一种先进的分析算法）集成了敏感元素断层扫描，并以3D方式揭示了硅的相关结构和化学演化以及固体电解质的相互作用。

Yoo在不锈钢圆盘上种植了一片硅纳米线“森林”，作为电池实验的阳极。洛斯阿拉莫斯的CINT设施具有独特的能力，可以直接在阳极上生长这种硅线。

工业和国家实验室研究人员都认为硅是下一代锂离子电池实际应用中最有前途的高容量负极材料。电池包括将电子带入的阳极和将电子移出以产生电流的阴极。

使用基于石墨的阳极，锂离子电池使手机和电动汽车的续航里程超过400英里。使用硅阳极开发下一代，已知其存储容量是石墨阳极电池的10倍，一直受到反复充电后容量衰减的阻碍。

在100次充电/放电循环后，使用硅的电池只能管理其原始存储容量的60%，对于日常技术来说不够好。

直到现在，没有人知道确切的原因。

在早期的应用中，当硅球形颗粒暴露在电解质中并充电时，它们会膨胀300%并破坏阳极。在所有类型的电池中，将阳极暴露于电解质的过程会产生形成SEI的反应。SEI对于电池稳定性至关重要，SEI对于电池中的电化学反应至关重要，并且关键地控制着电池的稳定性。

当SEI与阳极分离时，就像它与硅一样，电接触断开，电池容量下降。

我们曾经认为纳米线可以解决硅在电解质中膨胀的问题，因为一根线可以拉长，但结果我们不明白发生了什么，Yoo解释说。

Yoo说，新的研究发现，电解质会渗透到硅的各处，形成SEI口袋，破坏电子通路。这个过程断开了阳极中无法增加电池容量的孤立硅岛。Yoo说，下一个研究步骤是涂覆硅颗粒或纳米线，以在电解质存在的情况下保持硅的完整性。