美國(guó)史丹佛大學(xué)(StanfordUniversity)和能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室(NationalAcceleratorLaboratory)的科學(xué)家們共同開發(fā)出一種制造矽晶鋰離子電池陽極的新方法。這種新開發(fā)的陽極每次充電可儲(chǔ)存較現(xiàn)有商用電池更多10倍的能量，而且還可用于制造出更輕巧且更小型的高性能電池。

在電池充電期間，矽晶粒子會(huì)膨脹到原有尺寸的三倍后碎裂，同時(shí)還會(huì)與電池電解液起反應(yīng)，形成削弱其性能的涂層。為了克服這些問題，史丹佛大學(xué)-SLAC實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)利用以石墨烯材料量身打造的外殼包覆每個(gè)矽陽極顆粒。

根據(jù)《自然能源》(NatureEnergy)期刊以及SLAC官網(wǎng)上的介紹，研究人員們發(fā)展出一種三階段的方法來制造合適大小的石墨烯外殼。在這種外殼中不但有足夠的空間可讓矽晶粒子隨電池充電而膨脹擴(kuò)張，又夠緊密足以在顆粒碎裂時(shí)密切結(jié)合所有的碎片，因而使其可持續(xù)以高容量作業(yè)。這種強(qiáng)大、彈性化的外殼還能阻止與電解液發(fā)生破壞性的化學(xué)反應(yīng)。

這種顯微的外殼方法也適用于其他的電極材料，根據(jù)史丹佛大學(xué)副教授崔屹表示，這種方法讓能量密集、低成本的電池材料成為現(xiàn)實(shí)。

“這種新方法讓我們能使用直徑約1-3微米或百萬分之一公尺的較大矽顆粒，其價(jià)格更便宜而且已廣泛使用中，”崔屹表示，“事實(shí)上，我們所使用的顆粒非常類似在制造半導(dǎo)體晶片時(shí)研磨矽錠而產(chǎn)生的廢棄物；他們就像是各種形狀和大小的木屑顆粒。在此之前，像這么大的顆粒通常無法在電池陽極中有效發(fā)揮，因此，這是一項(xiàng)十分令人振奮的新研究成果，我們認(rèn)為它提供了一個(gè)可行的解決方案。”

為了讓這種微觀的外殼完全適用，研究人員們先以鎳涂覆在矽顆粒上，然后在鎳的頂層上生長(zhǎng)石墨烯，以鎳作為促進(jìn)石墨烯生長(zhǎng)的催化劑。而在最后的步驟，研究人員們將鎳蝕刻掉，讓石墨烯外殼中只留下足夠讓矽顆粒膨脹擴(kuò)張的空間。

“這種量身打造的石墨烯外殼是保持高效率的第一個(gè)涂層，而且可在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行反應(yīng)，”史丹佛大學(xué)博士后研究員閻凱表示。

這項(xiàng)石墨烯外殼研究的下一步是微調(diào)整個(gè)過程，以夠大的量生產(chǎn)帶有石墨烯外殼的矽顆粒，從而打造商用級(jí)的電池。

在電池充電期間，矽晶粒子會(huì)膨脹到原有尺寸的三倍后碎裂，同時(shí)還會(huì)與電池電解液起反應(yīng)，形成削弱其性能的涂層。為了克服這些問題，史丹佛大學(xué)-SLAC實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)利用以石墨烯材料量身打造的外殼包覆每個(gè)矽陽極顆粒。

根據(jù)《自然能源》(NatureEnergy)期刊以及SLAC官網(wǎng)上的介紹，研究人員們發(fā)展出一種三階段的方法來制造合適大小的石墨烯外殼。在這種外殼中不但有足夠的空間可讓矽晶粒子隨電池充電而膨脹擴(kuò)張，又夠緊密足以在顆粒碎裂時(shí)密切結(jié)合所有的碎片，因而使其可持續(xù)以高容量作業(yè)。這種強(qiáng)大、彈性化的外殼還能阻止與電解液發(fā)生破壞性的化學(xué)反應(yīng)。

這種顯微的外殼方法也適用于其他的電極材料，根據(jù)史丹佛大學(xué)副教授崔屹表示，這種方法讓能量密集、低成本的電池材料成為現(xiàn)實(shí)。

“這種新方法讓我們能使用直徑約1-3微米或百萬分之一公尺的較大矽顆粒，其價(jià)格更便宜而且已廣泛使用中，”崔屹表示，“事實(shí)上，我們所使用的顆粒非常類似在制造半導(dǎo)體晶片時(shí)研磨矽錠而產(chǎn)生的廢棄物；他們就像是各種形狀和大小的木屑顆粒。在此之前，像這么大的顆粒通常無法在電池陽極中有效發(fā)揮，因此，這是一項(xiàng)十分令人振奮的新研究成果，我們認(rèn)為它提供了一個(gè)可行的解決方案。”

為了讓這種微觀的外殼完全適用，研究人員們先以鎳涂覆在矽顆粒上，然后在鎳的頂層上生長(zhǎng)石墨烯，以鎳作為促進(jìn)石墨烯生長(zhǎng)的催化劑。而在最后的步驟，研究人員們將鎳蝕刻掉，讓石墨烯外殼中只留下足夠讓矽顆粒膨脹擴(kuò)張的空間。

“這種量身打造的石墨烯外殼是保持高效率的第一個(gè)涂層，而且可在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行反應(yīng)，”史丹佛大學(xué)博士后研究員閻凱表示。

這項(xiàng)石墨烯外殼研究的下一步是微調(diào)整個(gè)過程，以夠大的量生產(chǎn)帶有石墨烯外殼的矽顆粒，從而打造商用級(jí)的電池。