硅負極結構為鋰離子電池帶來了新的發(fā)展?jié)摿?/h1>
2021-01-15 08:01:00靳愛民
石油煉制與化工 2021年6期
沖繩科學技術研究生院(OIST)進行的一項新研究，發(fā)現(xiàn)了一種可以提高鋰離子電池性能的特殊內部結構。這種基于納米技術制造的特殊結構的研究發(fā)表在《Communications Materials》雜志上，并進行了解釋。大功率、便攜和可充電的鋰離子電池是現(xiàn)代技術的重要組成部分，智能手機、筆記本電腦和電動汽車中很常見。
通常石墨作為鋰離子電池的負極，但這種碳材料有很大的局限性。在石墨負極中，存儲一個鋰離子需要6個碳原子，所以這些電池的能量密度很低。目前，在科學研究和工業(yè)領域，探索利用鋰離子電池作為電動汽車和飛機動力的過程中，提高能量密度是關鍵。研究人員現(xiàn)在正在尋找能夠提高存儲鋰離子數(shù)量的新負極材料。最有希望的候選材料之一是硅，每個硅原子可與4個鋰離子結合。相同體積的硅負極材料儲存的電荷量是石墨負極的10倍，即能量密度提高一個數(shù)量級。
問題是，當鋰離子進入硅負極時，體積變化很大，高達400%左右，導致電極破碎并斷裂。體積劇烈變化不利于電解質和負極之間保護層的穩(wěn)定。電池每充電一次界面層就會跟著變化一次，直至有限的鋰離子被消耗殆盡，電池壽命和可充電性能下降。
研究人員表示：“我們的目標是制造出一種強度更高的負極材料，能夠抵抗這些壓力，容納盡可能多的鋰，確保在失效之前有足夠的循環(huán)壽命。采用的方法是利用納米顆粒構建一種結構。2017年發(fā)表在《Advanced Science》雜志上的一篇論文中提到，現(xiàn)已解散的OIST納米顆粒設計團隊開發(fā)了一種類似蛋糕的層狀結構，硅層與金屬鉭納米顆粒形成三明治結構。這種硅負極結構完整性提高，防止了過度膨脹。
在利用不同厚度的硅層進行實驗，觀察硅層對材料強度的影響時，研究人員發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的現(xiàn)象。當硅層達到某一厚度時，材料的強度完全變了，材料隨著厚度增加變得越來越硬，當硅層厚度進一步增加時，硬度反而迅速下降。研究者受到了啟發(fā)，但當時還不知道發(fā)生這種變化的根本原因?，F(xiàn)在的這篇論文對于在臨界厚度強度急劇增加給出了最后解釋。通過顯微鏡技術和原子水平的計算機模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)，當硅原子沉積在納米顆粒層上時，不會形成均勻的薄膜。恰好相反，它們會形成倒錐狀柱體，隨著更多的硅原子沉積，硅柱變得越來越粗，最終孤立的硅柱互相搭接，形成拱形結構。這種拱形結構很牢固，與土木工程中的拱形結構類似。這一概念同樣適用于納米尺度。重要的是，結構強度的增加也與電池性能的提高相契合?？茖W家們在進行電化學測試時發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池的充電容量增加，保護層也更穩(wěn)定，這表明電池經得起多次充放電考驗。
然而，穩(wěn)定的拱形結構只會在接觸一瞬間形成。在此之前，孤立的柱子不穩(wěn)定，因此不能形成結構完整的負極。柱體接觸后，如果繼續(xù)沉積硅，就會形成一種帶有空洞的多孔膜，這種結構很脆弱，與海綿類似。
這種拱形結構及特性表明，它不僅可以作為鋰離子電池硅負極材料商業(yè)化的重要手段，而且在材料科學中還有許多其他潛在的用途。高強度人工器官或儲氫材料需要承受各種壓力，必須采用拱形結構。所需材料的確切類型(無論軟、硬，或韌或剛)都可以通過簡單地改變層的厚度來精確調控，這就是納米結構的魅力所在。
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問題是，當鋰離子進入硅負極時，體積變化很大，高達400%左右，導致電極破碎并斷裂。體積劇烈變化不利于電解質和負極之間保護層的穩(wěn)定。電池每充電一次界面層就會跟著變化一次，直至有限的鋰離子被消耗殆盡，電池壽命和可充電性能下降。
研究人員表示：“我們的目標是制造出一種強度更高的負極材料，能夠抵抗這些壓力，容納盡可能多的鋰，確保在失效之前有足夠的循環(huán)壽命。采用的方法是利用納米顆粒構建一種結構。2017年發(fā)表在《Advanced Science》雜志上的一篇論文中提到，現(xiàn)已解散的OIST納米顆粒設計團隊開發(fā)了一種類似蛋糕的層狀結構，硅層與金屬鉭納米顆粒形成三明治結構。這種硅負極結構完整性提高，防止了過度膨脹。
在利用不同厚度的硅層進行實驗，觀察硅層對材料強度的影響時，研究人員發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的現(xiàn)象。當硅層達到某一厚度時，材料的強度完全變了，材料隨著厚度增加變得越來越硬，當硅層厚度進一步增加時，硬度反而迅速下降。研究者受到了啟發(fā)，但當時還不知道發(fā)生這種變化的根本原因?，F(xiàn)在的這篇論文對于在臨界厚度強度急劇增加給出了最后解釋。通過顯微鏡技術和原子水平的計算機模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)，當硅原子沉積在納米顆粒層上時，不會形成均勻的薄膜。恰好相反，它們會形成倒錐狀柱體，隨著更多的硅原子沉積，硅柱變得越來越粗，最終孤立的硅柱互相搭接，形成拱形結構。這種拱形結構很牢固，與土木工程中的拱形結構類似。這一概念同樣適用于納米尺度。重要的是，結構強度的增加也與電池性能的提高相契合?？茖W家們在進行電化學測試時發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池的充電容量增加，保護層也更穩(wěn)定，這表明電池經得起多次充放電考驗。
然而，穩(wěn)定的拱形結構只會在接觸一瞬間形成。在此之前，孤立的柱子不穩(wěn)定，因此不能形成結構完整的負極。柱體接觸后，如果繼續(xù)沉積硅，就會形成一種帶有空洞的多孔膜，這種結構很脆弱，與海綿類似。
這種拱形結構及特性表明，它不僅可以作為鋰離子電池硅負極材料商業(yè)化的重要手段，而且在材料科學中還有許多其他潛在的用途。高強度人工器官或儲氫材料需要承受各種壓力，必須采用拱形結構。所需材料的確切類型(無論軟、硬，或韌或剛)都可以通過簡單地改變層的厚度來精確調控，這就是納米結構的魅力所在。
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