硅是目前最重要的半導(dǎo)體材料，但其應(yīng)用范圍遠(yuǎn)不止于此。美國能源部西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室研究人員設(shè)計(jì)了一種新穎的納米結(jié)構(gòu)，能夠賦予硅非凡的強(qiáng)度，使其有望成為鋰離子電池的陽極材料，成為石墨的升級版。研究人員在《自然·通訊》雜志上發(fā)表研究報(bào)告稱，他們的成果是鋰離子電池硅基陽極開發(fā)的一個(gè)飛躍，為其他類型電池材料設(shè)計(jì)提供了新的思路。

長期以來，石墨一直是鋰離子電池的關(guān)鍵組成部分。這種碳導(dǎo)電且穩(wěn)定，非常適合在充電時(shí)將鋰離子填充到電池的陽極中。但隨著對更高能量密度電池的需求不斷增加，石墨基電極也需要升級，而硅被認(rèn)為是一種很好的升級版材料。與石墨相比，硅可以吸收更多的鋰，但問題是，硅在遇到鋰時(shí)會(huì)大幅膨脹，可能會(huì)導(dǎo)致鋰電池陽極破裂粉化。

為了克服硅基陽極粉化這一難題，西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室研究人員設(shè)計(jì)了一種新穎的納米結(jié)構(gòu)。他們將細(xì)小的硅顆粒聚集到直徑約8微米的微球中，形成一種相當(dāng)于紅細(xì)胞大小的分層多孔硅結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)就像海綿一樣，內(nèi)部有空間來吸收膨脹壓力。研究表明，這種分層多孔結(jié)構(gòu)具有出色的電化學(xué)性能、機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)完整性，可用于高性能鋰離子電池陽極，其可容納的電荷也是典型石墨基陽極的兩倍。

研究人員表示，他們設(shè)計(jì)的納米結(jié)構(gòu)不僅可以滿足硅基陽極各方面的性能要求，也適用于包括壓延在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)加工程序，可以為其他類型電池材料設(shè)計(jì)提供新的思路。下一步，他們將努力開發(fā)更具擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)性的硅微球制造方法，以便進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用，最終幫助提高電動(dòng)汽車、電子設(shè)備和其他設(shè)備中鋰離子電池的性能。