硅微球具有非凡的机械强度，这是由于碳纳米管的加入，使其类似于纱线球。在这张图中，左边的图片展示了一个由硅纳米粒子沉积在碳纳米管上的微球的一部分特写。图片来源:Michael Perkins/PNNL
新颖的纳米结构设计为一种有前景的存储材料提供了非凡的强度。
你会在铅笔尖发现的同一种材料——石墨——长期以来一直是当今锂离子电池的关键组件。然而，随着我们对这些电池的依赖增加，基于石墨的电极应该进行升级。为此，科学家们将目光投向了数字革命的核心元素:硅。
美国能源部太平洋西北国家实验室的科学家们提出了一种新的方法来使用这种有希望但存在问题的储能成分。用于计算机芯片和许多其他产品的硅之所以有吸引力，是因为它每克所含电量是石墨的10倍。问题是，当硅遇到锂时，它会膨胀得很大，而且它太弱了，无法承受电极制造的压力。
为了解决这些问题，由PNNL研究人员张继光(Jason)和李晓琳领导的团队开发了一种独特的纳米结构，可以限制硅的膨胀，同时用碳强化硅。他们的工作最近发表在《自然通讯》杂志上，可以为其他类型的电池设计新的电极材料，并最终帮助提高电动汽车、电子设备和其他设备中锂离子电池的能量容量。
把硅的缺点去掉
作为一种导电且稳定的碳形态，石墨非常适合在充电时将锂离子装入电池的阳极。硅比石墨能吸收更多的锂，但它往往膨胀约300%的体积，导致阳极破裂。研究人员通过将小的硅颗粒聚集成直径约8微米的微球——大致相当于一个红细胞的大小——创造了一种多孔形式的硅。
张说:“例如，像石头这样的固体材料，如果体积膨胀太多，就会破裂。”“我们创造的东西更像海绵，里面有吸收膨胀的空间。”
研究发现，多孔硅结构的电极在容纳两倍于典型石墨阳极的电荷时，其厚度变化小于20%。然而，与之前的多孔硅不同，这种微球还表现出了非凡的机械强度，这要归功于碳纳米管，它使微球看起来像纱线球。
超强微球
研究人员通过几个步骤创造了这种结构，首先是在碳纳米管上涂上硅氧化物。接下来，纳米管被放入油和水的乳剂中。然后加热到沸腾。
李说:“当水蒸发时，涂层碳纳米管凝结成球状。”“然后我们用铝和更高的热量将硅氧化物转化为硅，然后浸泡在水和酸中去除副产品。”从这个过程中产生的是一种由碳纳米管表面的微小硅颗粒组成的粉末。
用原子力显微镜对多孔硅球的强度进行了测试。作者发现，其中一种纳米纱球“在非常高的压缩力下可能会轻微屈服，并失去一些孔隙率，但它不会断裂。”
这是商业化的好兆头，因为阳极材料必须能够处理高压缩辊在制造过程中。下一步，张说，是开发更可扩展和更经济的方法来制造硅微球，这样它们有一天可以被用于下一代高性能锂离子电池。
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该研究还包括作者贾海平，宋俊华，张欣，罗朗丽，何阳，李斌松，蔡赟，胡沈阳，王崇民，Kevin M. Rosso, Ran Yi, Rajankumar Patel，所有PNNL和通用汽车研发中心的肖星晨。这项研究得到了美国能源部汽车技术办公室能源效率和可再生能源办公室的支持。显微镜和光谱测量是在环境分子科学实验室(EMSL)进行的，该实验室是美国能源部在PNNL的科学办公室的用户设施。
