沖繩科學(xué)技術(shù)研究生大學(xué)（OIST）進(jìn)行的一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)了一種改進(jìn)鋰離子電池陽極的特殊構(gòu)造塊。這種利用納米顆粒技術(shù)構(gòu)建的結(jié)構(gòu)的獨(dú)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(xiàn)代科技的重要組成部分，功能強(qiáng)大、攜帶方便、可充電，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、筆記本電腦和電動(dòng)汽車。2019年，隨著我們遠(yuǎn)離化石燃料，他們?cè)谖磥韽氐赘淖兾覀儍?chǔ)存和消耗電力的方式的潛力得到了顯著認(rèn)可，諾貝爾獎(jiǎng)共同授予了新的OIST理事會(huì)成員AkiraYoshino博士，表彰他在開發(fā)鋰離子電池方面的工作。

傳統(tǒng)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(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子被迫從電池的一側(cè)（陰極）通過電解液移動(dòng)到電池的另一側(cè)（陽極）。然后，當(dāng)使用電池時(shí)，鋰離子會(huì)移回陰極，并從電池中釋放電流，但在石墨陽極中，儲(chǔ)存一個(gè)鋰離子需要六個(gè)碳原子，因此這些電池的能量密度很低。

目前，科學(xué)界和工業(yè)界正在探索利用鋰離子電池為電動(dòng)汽車和航天飛機(jī)提供動(dòng)力，因此提高能量密度至關(guān)重要。研究人員現(xiàn)在正在尋找新的材料，可以增加鋰離子儲(chǔ)存在陽極的數(shù)量。

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最有希望的候選材料之一是硅，它可以為每一個(gè)硅原子綁定四個(gè)鋰離子。

哈羅博士說：“硅陽極在一定體積內(nèi)所能儲(chǔ)存的電荷是石墨陽極的十倍，就能量密度而言，這一數(shù)量級(jí)要高出整整一個(gè)數(shù)量級(jí)。問題是，當(dāng)鋰離子進(jìn)入陽極時(shí)，體積變化很大，高達(dá)400%左右，這會(huì)導(dǎo)致電極斷裂。”

大的體積變化也阻止了電解質(zhì)和陽極之間保護(hù)層的穩(wěn)定形成。因此，每次給電池充電時(shí)，這一層必須不斷地改造，耗盡有限的鋰離子供應(yīng)，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(biāo)是試圖創(chuàng)造一種更堅(jiān)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(huán)，以免變質(zhì)，我們采取的方法是用納米顆粒構(gòu)建一個(gè)結(jié)構(gòu)。”

在第一階段，硅薄膜以剛性但不穩(wěn)定的柱狀結(jié)構(gòu)存在。在第二階段，柱子在頂部接觸，形成拱形結(jié)構(gòu)，由于拱的作用，拱形結(jié)構(gòu)很堅(jiān)固。在第三階段，硅原子進(jìn)一步沉積形成海綿狀結(jié)構(gòu)。紅色虛線顯示了硅在施力時(shí)是如何變形的。

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在2017年發(fā)表在《高級(jí)科學(xué)》上的一篇論文中，現(xiàn)在解散的OIST納米顆粒由DesignUnit開發(fā)了一種蛋糕狀的層狀結(jié)構(gòu)，每層硅都夾在鉭金屬納米顆粒之間。這改善了硅陽極的結(jié)構(gòu)完整性，防止過度膨脹。

在對(duì)不同厚度的硅層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以了解其對(duì)材料彈性性能的影響時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的現(xiàn)象。

在硅層的特定厚度處有一個(gè)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的彈性性質(zhì)完全改變了。正在進(jìn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的OIST現(xiàn)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(dāng)時(shí)，我們不知道這一變化背后的根本原因?！?/p>

新的論文最后解釋了在一個(gè)臨界厚度處剛度突然增加的原因。通過顯微鏡技術(shù)和原子水平的計(jì)算機(jī)模擬，研究人員表明，當(dāng)硅原子沉積在納米顆粒層上時(shí)，它們不會(huì)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(gè)硅柱相互接觸，形成拱形結(jié)構(gòu)。

Grammatikopoulos博士說：“拱形結(jié)構(gòu)很堅(jiān)固，就像土木工程中的拱門一樣堅(jiān)固。同樣的概念也適用于納米尺度?！?/p>

重要的是，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提高也與電池性能的提高相吻合。當(dāng)科學(xué)家們進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的充電容量增加了。保護(hù)層也更穩(wěn)定，這意味著電池可以承受更多的充電周期。

這些改進(jìn)只有在柱子接觸的那一刻才能看到。在這一時(shí)刻發(fā)生之前，單個(gè)的支柱是搖擺不定的，因此不能為陽極提供結(jié)構(gòu)完整性。如果硅沉積在柱接觸后繼續(xù)進(jìn)行，它會(huì)形成一個(gè)有許多空隙的多孔膜，從而產(chǎn)生一種微弱的海綿狀行為。

這種拱形結(jié)構(gòu)及其獨(dú)特性能的揭示不僅是鋰離子電池硅陽極走向商業(yè)化的重要一步，而且在材料科學(xué)領(lǐng)域也有許多潛在的應(yīng)用。

Grammatikopoulos博士說：“拱形結(jié)構(gòu)可以在需要堅(jiān)固且能承受各種應(yīng)力的材料時(shí)使用，例如用于生物植入或儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)，這就是納米結(jié)構(gòu)的美。”