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(chē)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(chē)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(guò)在設(shè)計(jì)中加入硅元素來(lái)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(lái)克服迄今為止困擾鋰離子電池研究的耐久性問(wèn)題,研究人員依靠一種由微小的納米級(jí)拱門(mén)制成的陽(yáng)極組件來(lái)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(guò)電解質(zhì)溶液移動(dòng)到電池的另一側(cè)(陽(yáng)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(yáng)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(wèn)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(kāi)始探索另一種技術(shù),涉及一種類(lèi)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(lái),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(lái)越多的硅原子沉積下來(lái),研究小組的柱子越來(lái)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(mén)相同堅(jiān)固。

這或許預(yù)示著鋰離子電池硅陽(yáng)極的未來(lái),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。