沖繩科學技術研究生大學（OIST）進行的一項新研究發現了一種改進鋰離子電池陽極的特殊構造塊。這種利用納米顆粒技術構建的結構的獨特特性今天在通信材料中得到了揭示和解釋。

鋰離子電池是現代科技的重要組成部分，功能強大、攜帶方便、可充電，廣泛應用于智能手機、筆記本電腦和電動汽車。2019年，隨著我們遠離化石燃料，他們在未來徹底改變我們儲存和消耗電力的方式的潛力得到了顯著認可，諾貝爾獎共同授予了新的OIST理事會成員AkiraYoshino博士，表彰他在開發鋰離子電池方面的工作。

傳統上，石墨用于鋰離子電池的陽極，但這種碳材料有很大的局限性。

當電池充電時，鋰離子被迫從電池的一側（陰極）通過電解液移動到電池的另一側（陽極）。然后，當使用電池時，鋰離子會移回陰極，并從電池中釋放電流，但在石墨陽極中，儲存一個鋰離子需要六個碳原子，因此這些電池的能量密度很低。

目前，科學界和工業界正在探索利用鋰離子電池為電動汽車和航天飛機提供動力，因此提高能量密度至關重要。研究人員現在正在尋找新的材料，可以增加鋰離子儲存在陽極的數量。

最有希望的候選材料之一是硅，它可以為每一個硅原子綁定四個鋰離子。

哈羅博士說：“硅陽極在一定體積內所能儲存的電荷是石墨陽極的十倍，就能量密度而言，這一數量級要高出整整一個數量級。問題是，當鋰離子進入陽極時，體積變化很大，高達400%左右，這會導致電極斷裂。”

大的體積變化也阻止了電解質和陽極之間保護層的穩定形成。因此，每次給電池充電時，這一層必須不斷地改造，耗盡有限的鋰離子供應，并縮短電池的壽命和可充電性。

該論文的資深作者Grammatikopoulos博士說：“我們的目標是試圖創造一種更堅固的陽極，能夠抵抗這些壓力，能夠吸收盡可能多的鋰，并確保盡可能多的充電循環，以免變質，我們采取的方法是用納米顆粒構建一個結構。”

在第一階段，硅薄膜以剛性但不穩定的柱狀結構存在。在第二階段，柱子在頂部接觸，形成拱形結構，由于拱的作用，拱形結構很堅固。在第三階段，硅原子進一步沉積形成海綿狀結構。紅色虛線顯示了硅在施力時是如何變形的。

在2017年發表在《高級科學》上的一篇論文中，現在解散的OIST納米顆粒由DesignUnit開發了一種蛋糕狀的層狀結構，每層硅都夾在鉭金屬納米顆粒之間。這改善了硅陽極的結構完整性，防止過度膨脹。

在對不同厚度的硅層進行實驗以了解其對材料彈性性能的影響時，研究人員發現了一些奇怪的現象。

在硅層的特定厚度處有一個點，結構的彈性性質完全改變了。正在進行這項實驗的OIST現任博士生西奧?布盧米斯（theobouloumis）說：“材料逐漸變硬，但隨著硅層厚度的增加，剛度迅速下降。我們有一些想法，但當時，我們不知道這一變化背后的根本原因。”

新的論文最后解釋了在一個臨界厚度處剛度突然增加的原因。通過顯微鏡技術和原子水平的計算機模擬，研究人員表明，當硅原子沉積在納米顆粒層上時，它們不會形成均勻的薄膜。相反，它們形成了倒錐狀的柱，隨著沉積的硅原子越來越多，柱越來越寬。最終，單個硅柱相互接觸，形成拱形結構。

Grammatikopoulos博士說：“拱形結構很堅固，就像土木工程中的拱門一樣堅固。同樣的概念也適用于納米尺度?！?/p>

重要的是，結構強度的提高也與電池性能的提高相吻合。當科學家們進行電化學測試時，他們發現鋰離子電池的充電容量增加了。保護層也更穩定，這意味著電池可以承受更多的充電周期。

這些改進只有在柱子接觸的那一刻才能看到。在這一時刻發生之前，單個的支柱是搖擺不定的，因此不能為陽極提供結構完整性。如果硅沉積在柱接觸后繼續進行，它會形成一個有許多空隙的多孔膜，從而產生一種微弱的海綿狀行為。

這種拱形結構及其獨特性能的揭示不僅是鋰離子電池硅陽極走向商業化的重要一步，而且在材料科學領域也有許多潛在的應用。

Grammatikopoulos博士說：“拱形結構可以在需要堅固且能承受各種應力的材料時使用，例如用于生物植入或儲存氫氣。你只需要知道材料的確切類型是更硬或更軟，更靈活或更不靈活，只需改變層的厚度就可以精確地實現，這就是納米結構的美?！?/p>