矽作為電池負極材料的飛躍:一種碳納米管/矽微球結構

2021-01-07 全國能源信息平臺

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石墨，和鉛筆筆尖一樣的材料，長期以來一直是鋰離子電池的重要組成部分。但是，隨著我們對電池要求的提高，石墨基電池已無法滿足我們對於電池性能的要求。因此研究人員將目光轉向了數字革命的核心材料——矽。

美國太平洋西北國家實驗室（PNNL ）的研究人員提出了一種新穎方法來使用這種有應用潛力但是目前仍問題的儲能材料。矽被用於電腦晶片和許多其他產品，因具有十倍於石墨負極的儲鋰容量，被認為是下一代鋰離子電池的理想負極。然而，矽負極在鋰化/去鋰化過程中涉及巨大的體積變化，導致其循環穩定性較差，並且太弱而無法承受電極製造的壓力，制約了矽基負極的實際應用。

為了解決這些問題，PNNL研究人員Jiguang Zhang（Jason）和 Xiaolin Li帶領的團隊開發了一種獨特的納米結構，該結構利用碳材料在限制矽膨脹的同時還強化了矽。該研究成果發表在《Nature Communications 》上，為其他類型的電池提供了新的設計思路，並最終幫助提高電動汽車、電子設備和其他設備中鋰離子電池的能量容量。

消除矽的弊端

作為一種導電且穩定的碳，石墨非常適合在電池充電時將鋰離子打包到電池的陽極中。矽比石墨能吸收更多的鋰，但它的體積會膨脹300%，導致陽極破裂。研究人員通過將小矽顆粒聚集成直徑約8微米的微球——大約一個紅細胞的大小——來製造出多孔的矽。

石墨是碳的一種導電且穩定的形式，非常適合在充電時將鋰離子填充到電池的負極中。矽可以比石墨吸收更多的鋰，但它的體積往往會膨脹300%，導致負極破裂。研究人員通過將小矽顆粒聚集成直徑約8微米的微球——大約一個紅細胞的大小——來製造出多孔形式的矽。

PNNL的Jason Zhang在高級電池設施中

來源：PNNL

Zhang說：「例如，像石頭這樣的固體材料，如果體積膨脹太大，就會破裂。」 「我們創造的東西更像海綿，內部有空間吸收膨脹。」

研究發現，具有多孔矽結構的電極的厚度變化小於20％，同時容納的電荷是典型石墨負極的兩倍。但是，與以前版本的多孔矽不同，由於碳納米管使微球類似於紗線球，因此微球也顯示出非凡的機械強度。

超強微球

研究人員分幾個步驟製備了這種結構：首先在碳納米管上塗上氧化矽。接下來，將納米管放入油和水的乳液中。然後將它們加熱至沸騰。

Li 說：「當水蒸發時，塗覆的碳納米管會凝結成球形。」 「然後，我們使用鋁和更高的熱量將氧化矽轉化為矽，然後浸入水和酸中以去除副產物。」從這個過程中產生的是一種由碳納米管表面的矽微粒組成的粉末。

利用原子力顯微鏡探針測試了多孔矽球的強度。作者發現，其中一個納米紗線球「在非常高的壓縮力下可能會產生輕微的屈服，並失去一些孔隙，但它不會破裂。」

這預示著商業化的發展，因為負極材料必須在製造過程中能夠承受輥子的高壓縮。Zhang 說，下一步是開發出更具可擴展性和經濟性的製造矽微球的方法，以便它們有一天能夠應用到下一代高性能鋰離子電池中。

來源：Pacific Northwest National Laboratory，Carbontech

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