石墨烯笼提高了粒子的导电性

多年来，科学家们一直在尝试用硅制造一种实用的锂离子电池阳极，这种阳极每次充电能储存的能量是目前商用阳极的10倍，并能制造出体积更小、重量更轻的高性能电池。

但是有两个主要的问题阻碍了电池充电:硅颗粒在充电过程中膨胀、开裂和破碎，它们与电池电解质发生反应，形成一层涂层，削弱了电池的性能。

现在,来自斯坦福大学的研究小组和能源部SLAC国家加速器实验室想出了一个可能的解决方案:把每一个硅阳极石墨烯制成的粒子在一个定制的笼子里,一个纯粹的形式的碳是已知最薄、最坚硬的物质,一个伟大的指挥家的电力。

自然能源的1月25日发表的一份报告中,他们描述一个简单的三步方法构建微观石墨烯笼子的正确的大小:宽敞的足以让硅粒子扩大在充电,然而紧得足以容纳所有的碎片拼到一起,当粒子分解,所以它可以继续函数在高容量。坚固、灵活的保持架还能阻止与电解质的破坏性化学反应。

将硅“粉末”放入石墨烯保持架中可以提高电池性能

将硅“粉末”放入石墨烯保持架中可以提高电池性能

这张电子显微镜拍摄的延时电影显示了新型电池材料的实际应用:一个硅粒子在充电时在石墨烯笼中膨胀并开裂。

在测试中，石墨烯笼实际上提高了粒子的导电性，并提供了高电荷容量、化学稳定性和效率，该方法也可以应用于其他电极材料，使高能量、低成本的电池材料成为现实的可能性。

对硅阳极的追求

锂离子电池的工作原理是通过在阴极和阳极两个电极之间的电解质溶液中来回移动锂离子。

充电电池迫使离子进入阳极;利用电池做功将离子移回阴极。

当涉及到制造硅阳极时，科学家们一直受到这样一个事实的阻碍:硅在充电时膨胀到正常大小的三倍。对于崔和他的合作者来说，这一探索首先导致了由硅纳米线或纳米颗粒制成的阳极，这种阳极非常小，不太可能断裂。

研究小组提出了许多限制和保护硅纳米颗粒的方法，从类似石榴的结构到由自愈聚合物或导电聚合物水凝胶制成的涂层(如用于软隐形眼镜的那种)。但这些只是部分成功;由此产生的阳极效率仍然不够高，而且纳米粒子价格昂贵且难以制造。

这种新方法允许我们使用更大的硅颗粒，直径在1到3微米之间，也就是百万分之一米，价格便宜，而且广泛使用。事实上，使用的颗粒与制造半导体芯片所产生的废料非常相似;它们就像各种形状和大小的木屑。这么大的粒子以前从未在电池阳极中表现良好，所以这是一个非常令人兴奋的新成就，我们认为它提供了一个实用的解决方案。

都在涂层里

要使石墨烯保持架起作用，它们必须精确地与硅粒子匹配。科学家们通过一系列步骤实现了这一目标:首先，他们在硅颗粒上涂上镍，镍的厚度刚好合适。然后他们在镍的表面生长了一层石墨烯，镍作为催化剂促进石墨烯的生长。最后他们把镍蚀刻掉，在石墨烯保持架中留下足够的空间让硅粒子膨胀。

将硅“粉末”放入石墨烯保持架中可以提高电池性能

将硅“粉末”放入石墨烯保持架中可以提高电池性能

为了在硅粒子周围建立石墨烯保持架，研究人员在硅粒子上涂上镍;在镍的表面生长了一层石墨烯;用酸把镍溶解

斯坦福大学博士后研究员进行了这项实验。合身的石墨烯笼是第一个保持高效率的涂层，反应可以在相对较低的温度下进行。现在研究小组将对这一过程进行微调，并生产足够大数量的笼状硅颗粒，以制造用于测试的商用电池。这项研究由斯坦福大学材料与能源科学研究所SIMES进行，由美国能源部车辆技术办公室的电池材料研究项目资助。

SLAC是一个在光子科学、天体物理学、粒子物理学和加速器研究领域探索前沿问题的多学科实验室。科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，正在努力解决我们这个时代一些最紧迫的挑战。