沖繩科學(xué)技術(shù)研究生大學(xué)（OIST）進(jìn)行的一項新研究發(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，功能強大、攜帶方便、可充電，廣泛應(yīng)用于智能手機、筆記本電腦和電動汽車。2019年，隨著我們遠(yuǎn)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(rèn)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(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，鋰離子被迫從電池的一側(cè)（陰極）通過電解液移動到電池的另一側(cè)（陽極）。然后，當(dāng)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(xué)界和工業(yè)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(guān)重要。研究人員現(xiàn)在正在尋找新的材料，可以增加鋰離子儲存在陽極的數(shù)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(nèi)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(shù)量級要高出整整一個數(shù)量級。問題是，當(dāng)鋰離子進(jìn)入陽極時，體積變化很大，高達(dá)400%左右，這會導(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，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)建一個結(jié)構(gòu)?！?/p>

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是如何變形的。

在2017年發(fā)表在《高級科學(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。

在對不同厚度的硅層進(jìn)行實驗以了解其對材料彈性性能的影響時，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點，結(jié)構(gòu)的彈性性質(zhì)完全改變了。正在進(jìn)行這項實驗的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，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)和原子水平的計算機模擬，研究人員表明，當(dāng)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(jié)構(gòu)。

Grammatikopoulos博士說：“拱形結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)強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)測試時，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。在這一時刻發(fā)生之前，單個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，它會形成一個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)可以在需要堅固且能承受各種應(yīng)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(xiàn)，這就是納米結(jié)構(gòu)的美。”