锂离子电池中的硅阳极材料取得了新突破

英国Warwick大学的研究人员发现了一种有效的方法，用石墨烯桁架强化硅阳极的结构，用硅取代锂离子电池阳极中的石墨，可以使可充电锂离子电池的使用寿命增加一倍以上，这大大延长了阳极的使用寿命，并且还增加了这些电池的容量。

自索尼公司最初推出锂离子电池以来，石墨一直是锂离子电池阳极的默认选择材料。但研究人员和制造商一直在寻找用硅来取代石墨的方法，硅是一种丰富的可用元素，同等质量下是石墨能量密度的10倍之多。不幸的是，硅有几个性能问题一直在限制着它的商业利用。

由于锂离子的嵌入（或称锂离子形成）引起体积膨胀，硅粒子在充电过程中可能以电化学方式团聚，从而降低电池的充放电效率。硅也不具有足够的弹性来应对多次充电时的岩石化应变，从而导致阳极复合组织的开裂、粉化和快速物理降解。随着时间的推移，这极大地降低了电池的容量，相对的电极阴极也会发生退化。这就是为什么移动电话在使用一段时间后需要更长的充电时间，以及为什么它们的电量不能保持较长的时间。

科学家们已经尝试了很多方法来克服这些问题，其中包括使用纳米尺寸的硅微粒或掺入微米尺寸的石墨烯。尽管纳米尺寸的硅颗粒显著增加了有效的反应表面，但它们也导致在第一次充电循环期间更多的锂沉积在硅上。这导致硅和电解质之间形成中间相隔离屏障，大大降低了锂的存量，从而降低了电池的使用寿命。随着中间层在硅上继续增厚，锂会不断地失去。而第二个方法——纳入不同尺度的石墨烯——已被认为对于大规模生产是不切实际的。

在新的研究中， Warwick大学Melanie Loveridge领导的一个研究小组发现并测试了一种新的阳极材料，这种材料含有一种经化学改性的石墨烯，这种材料可以解决这些问题，并创造出可行的硅阳极锂离子电池。这种方法可以在工业规模上实际制造，而不需要纳米尺寸的硅及其带来的相关问题。Loveridge和她的同事在《科学报告》的一篇论文中报告了他们的研究成果。

石墨烯是单层的石墨（碳的同素异形体）。然而，也能通过某些操作，分离出几个连接的石墨烯层，产生一种称为“少量层石墨烯”（FLG）的材料。先前的研究已经测试了FLG与纳米硅的使用，但这项新的研究发现，FLG在阳极中使用时，也能显著地提高更大的微米级硅粒子的性能。Loveridge和她的团队发现，这种FLG和微米级硅的混合物可以显著延长锂离子电池的寿命，同时还能提供更高的功率能力。

这些阳极实际上由60%的微硅颗粒、16%的FLG、14%的钠/聚丙烯酸和10%的碳添加剂组成。研究人员在100个充放电循环中检查了这些阳极的性能（以及材料结构的变化）。

“FLG的薄片在阳极中混合，就像一组强而相对有弹性的大梁，”洛夫里奇解释说，“FLG的薄片提高了材料的回弹性和拉伸性能，大大减少了硅在岩石形成过程中的物理膨胀所造成的损害。石墨烯提高了阳极的长程电导率，并在结构稳定的复合材料中保持了较低的电阻。

“更重要的是，这些FLG薄片在保持硅颗粒之间的分离程度方面也是非常有效的，否则硅颗粒会受电荷影响相互团聚在一起。这种日益增加的团聚现象日益减少和限制了电解液进入电池中的所有粒子，并阻碍了锂离子的有效扩散，这当然会降低电池的寿命和功率输出。在由沃里克WMG大学测试的混合物中存在FLG，这促使研究人员推测，这种现象在减缓电化学硅融合方面是非常有效的。这项工作得到了系统调查的支持。”