憑借著高能量密度、高安全性的優(yōu)勢(shì),鋰離子電池在短短的十幾年的時(shí)間里,就徹底占領(lǐng)了消費(fèi)電子市場(chǎng),并擴(kuò)展到了電動(dòng)汽車領(lǐng)域,取得了矚目的成就。

現(xiàn)階段,鋰離子電池已經(jīng)成為電動(dòng)汽車最重要的動(dòng)力源,并且,隨著正負(fù)極材料向著更高克容量的方向發(fā)展和安全性技術(shù)的日漸成熟、完善,更高能量密度的電芯技術(shù)正在從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化,應(yīng)用到更多場(chǎng)景里。

盡管市場(chǎng)普遍看好鋰離子電池,但鋰離子電池的性能仍有進(jìn)步空間。有科學(xué)家們希望通過在設(shè)計(jì)中加入硅元素來提高鋰離子電池的性能,這種方法可以將電池的容量提高10倍之多。

近日,日本的一個(gè)研究小組就提出了一種方法來克服迄今為止困擾鋰離子電池研究的耐久性問題,研究人員依靠一種由微小的納米級(jí)拱門制成的陽極組件來供應(yīng)一些強(qiáng)度,成功使鋰離子電池又向前邁了一步。

通常,當(dāng)電池充電時(shí),鋰離子被迫從電池的一側(cè)(陰極)通過電解質(zhì)溶液移動(dòng)到電池的另一側(cè)(陽極)。當(dāng)使用電池時(shí),鋰離子移回陰極,電池釋放電流。但在石墨陽極中,儲(chǔ)存一個(gè)鋰離子要六個(gè)碳原子,因此這些電池的能量密度很低。

同時(shí),用硅代替石墨可以顯著提高這種能量密度,因?yàn)槊總€(gè)硅原子可以與四個(gè)鋰離子結(jié)合。但迄今為止,實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的努力遇到了穩(wěn)定性問題,因?yàn)楣璧哪途眯圆蝗缡?隨著電池的循環(huán),硅往往會(huì)膨脹、收縮和斷裂。

基于此,研究人員開始探索另一種技術(shù),涉及一種類似于蛋糕的結(jié)構(gòu),在金屬納米顆粒之間放置一層硅。研究人員觀察發(fā)現(xiàn),當(dāng)硅原子沉積到金屬納米顆粒上時(shí),它們會(huì)形成倒錐狀的微小柱狀物,朝頂部更厚。

這意味著,隨著更多的硅原子沉積下來,柱體的高度新增,它們變得足夠?qū)?可以相互接觸,形成納米級(jí)的拱形結(jié)構(gòu)。隨著越來越多的硅原子沉積下來,研究小組的柱子越來越高,它們變得足夠?qū)?可以相互接觸,形成納米級(jí)的拱形結(jié)構(gòu)。并且,研究人員表示,拱形結(jié)構(gòu)很堅(jiān)固,就像土木工程中的拱門相同堅(jiān)固。

這或許預(yù)示著鋰離子電池硅陽極的未來,但研究人員認(rèn)為,他們的新型拱形納米結(jié)構(gòu)有可能應(yīng)用于材料科學(xué)的其他領(lǐng)域。