新型硅阳极可取代石墨 提升锂电池容量和寿命

大学的研究人员们已经开发出了一种新的方法，能够大大提升商用锂电池的关键性能。其采用了新型硅阳极来取代常见的石墨阳极，除了可以更小、更轻、更持久之外，还可以应用到从个人设备到电动汽车等各个领域。作为锂电池领域的负电极材料，石墨的运用一直比较顺利，但它的缺点也很明显，那就是难以提升容量。

由于其只能存储相对较少的能量（约370mAh/g），因此研究人员将目光瞄向了日渐流行起来的硅材料上（可达4200mAh/g）。当然，后者也并不是没有局限性。

每个充电周期中，当电芯里的硅在和锂交互时，其膨胀收缩可达300%。而随着时间的推移，它会明显降低电池的性能、短路、并最终导致电池报废。

为了克服这一问题，最近有其他人尝试过为电池设计纳米级的海绵状硅阳极、只有几微米长的硅纳米线、甚至混合了石墨和碳纳米管。

不过，大学的科学家们开发出了另一种方法，来修改硅阳极的结构。其借助了掺杂的石墨烯、纳米硅颗粒、以及环化聚丙烯腈（cyclizedpolyacrylonitrile，常用于制作外科手套）之间的化学反应，从而形成了一种健壮的纳米结构。

研究人员们在测试后发现，这种阳极设计可以减少锂和电极之间的接触，因此能够防止大部分的膨胀和收缩情况，最终为电池带来更高的稳定性。

此外，他们还声称其储能可达1000mAh/g、循环使用2275次（比较石墨的500次）、以及99.9%的充放电效率（CoulombicEfficiency）。此前，硅阳极的电荷转移一直被看作是另一个弱点。

研究人员称，新阳极可将锂电池的能量密度提升40%到60%，因此我们有望看到单次充电后续航里程长达500公里（310英里）的电动汽车。

这项研究发表在近期的《自然通讯》（NatureCommunications）期刊上，相关技术有望在未来一年内实现商业化。