憑借著高能量密度、高安全性的優勢,鋰離子電池在短短的十幾年的時間里,就徹底占領了消費電子市場,并擴展到了電動汽車領域,取得了矚目的成就。

現階段,鋰離子電池已經成為電動汽車最重要的動力源,并且,隨著正負極材料向著更高克容量的方向發展和安全性技術的日漸成熟、完善,更高能量密度的電芯技術正在從實驗室走向產業化,應用到更多場景里。

盡管市場普遍看好鋰離子電池,但鋰離子電池的性能仍有進步空間。有科學家們希望通過在設計中加入硅元素來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,日本的一個研究小組就提出了一種方法來克服迄今為止困擾鋰離子電池研究的耐久性問題,研究人員依靠一種由微小的納米級拱門制成的陽極組件來供應一些強度,成功使鋰離子電池又向前邁了一步。

通常,當電池充電時,鋰離子被迫從電池的一側(陰極)通過電解質溶液移動到電池的另一側(陽極)。當使用電池時,鋰離子移回陰極,電池釋放電流。但在石墨陽極中,儲存一個鋰離子要六個碳原子,因此這些電池的能量密度很低。

同時,用硅代替石墨可以顯著提高這種能量密度,因為每個硅原子可以與四個鋰離子結合。但迄今為止,實現這一目標的努力遇到了穩定性問題,因為硅的耐久性不如石墨,隨著電池的循環,硅往往會膨脹、收縮和斷裂。

基于此,研究人員開始探索另一種技術,涉及一種類似于蛋糕的結構,在金屬納米顆粒之間放置一層硅。研究人員觀察發現,當硅原子沉積到金屬納米顆粒上時,它們會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,柱體的高度新增,它們變得足夠寬,可以相互接觸,形成納米級的拱形結構。隨著越來越多的硅原子沉積下來,研究小組的柱子越來越高,它們變得足夠寬,可以相互接觸,形成納米級的拱形結構。并且,研究人員表示,拱形結構很堅固,就像土木工程中的拱門相同堅固。

這或許預示著鋰離子電池硅陽極的未來,但研究人員認為,他們的新型拱形納米結構有可能應用于材料科學的其他領域。