雖然硅陽(yáng)極可以大大提高鋰離子電池的容量，但隨著使用，其性能會(huì)迅速下降。聚合物涂層可以幫助解決這一問(wèn)題，但很少有研究探討其內(nèi)在機(jī)制。在最近的一項(xiàng)研究中，日本高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究所的科學(xué)家們研究了聚（硼硅氧烷）涂層如何極大地穩(wěn)定硅陽(yáng)極的容量，從而為電動(dòng)汽車和可再生能源收集用更好、更耐用的鋰離子電池鋪平了道路。

鋰離子電池（LIB）自提出以來(lái)，一直在不斷改進(jìn)和調(diào)整，使其能夠適用于從移動(dòng)設(shè)備、電動(dòng)汽車到可再生能源收割機(jī)的存儲(chǔ)單元等各種不同的應(yīng)用。在大多數(shù)更大規(guī)模的應(yīng)用中（如后兩種），LIB研究的重點(diǎn)放在增加容量和電壓限制上，而不增加它們的總體尺寸。當(dāng)然，要做到這一點(diǎn)，電池的部件和材料必須打開。

許多研究人員把賭注押在使用硅陽(yáng)極而不是傳統(tǒng)的石墨陽(yáng)極上。正極是電池的一部分，當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子被儲(chǔ)存在那里，然后在使用電池充電時(shí)，鋰離子通過(guò)一種叫做電解質(zhì)的介質(zhì)流到另一端的負(fù)極。盡管硅無(wú)疑是一種很有前途的陽(yáng)極材料，其容量增加了近10倍，但在硅陽(yáng)極商業(yè)化之前，它帶來(lái)了一系列必須克服的挑戰(zhàn)。

在最近發(fā)表在ACS應(yīng)用能源材料上的一項(xiàng)研究中，來(lái)自日本高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究所（JAIST）的一組科學(xué)家使用一種很有前途的聚合物涂層：聚（硼硅氧烷）（PBS）來(lái)解決硅陽(yáng)極的問(wèn)題。這項(xiàng)研究是由松下幸男（NoriyoshiMatsumi）教授領(lǐng)導(dǎo)的，當(dāng)時(shí)正在JAIST完成博士課程的SaiGourangPatnaik博士和TejkiranPindiJayakumar博士也參與了這項(xiàng)研究。

由于其自愈性，PBS涂層在容量方面比裸陽(yáng)極或涂有PVDF（一種商業(yè)上用于鋰離子電池的聚合物）的陽(yáng)極提供了更穩(wěn)定的性能。

聚合物涂層可以解決困擾硅陽(yáng)極的一個(gè)最嚴(yán)重的缺點(diǎn)：形成過(guò)大的固體電解質(zhì)界面（SEI）。電解液和陽(yáng)極之間自發(fā)形成的SEI實(shí)際上對(duì)電池的長(zhǎng)期性能至關(guān)重要。然而，像硅這樣的材料在使用過(guò)程中往往會(huì)大大膨脹，從而導(dǎo)致連續(xù)的SEI形成和可用電解液的耗盡。不用說(shuō)，這會(huì)阻礙電池的性能，并隨著時(shí)間的推移導(dǎo)致容量大幅下降。

這就是聚合物涂層發(fā)揮作用的地方，它們可以防止在硅上形成過(guò)多的SEI，并形成一種人工的、穩(wěn)定的SEI（見圖1）。盡管研究人員已經(jīng)注意到了PBS作為硅陽(yáng)極涂層的潛力，但之前的研究并沒(méi)有對(duì)其作用機(jī)制提供明確的解釋，正如Matsumi教授解釋的那樣，“很少有關(guān)于明確定義的PBS基聚合物的報(bào)告為其應(yīng)用及其效果提供了機(jī)制起源。因此，我們想評(píng)估并闡明它們對(duì)硅陽(yáng)極的貢獻(xiàn)，作為一種自我修復(fù)的人工界面，也可以防止有害的體積膨脹。”

研究小組從穩(wěn)定性、容量和界面特性方面比較了有和沒(méi)有聚合物涂層的硅陽(yáng)極的短期和長(zhǎng)期性能。他們通過(guò)一系列電化學(xué)測(cè)量和理論計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，這使他們了解了PBS如何幫助穩(wěn)定硅陽(yáng)極的容量。

與裸露的硅陽(yáng)極和涂有聚偏氟乙烯（LIBs中的一種商用涂層）的陽(yáng)極相比，PBS的自愈性及其對(duì)鋰離子的可逆調(diào)節(jié)顯著提高了穩(wěn)定性。這部分是由于PBS能夠填充SEI在運(yùn)行期間形成的任何裂縫。如圖2所示，與其他兩個(gè)陽(yáng)極不同，PBS涂層硅陽(yáng)極的容量在300多個(gè)循環(huán)中幾乎保持不變。

通過(guò)解決與硅陽(yáng)極相關(guān)的主要問(wèn)題，本研究為新一代具有更高容量和耐用性的鋰離子電池鋪平了道路。Matsumi教授對(duì)研究結(jié)果表示滿意，“大容量鋰離子電池的廣泛應(yīng)用將使電動(dòng)汽車行駛距離更長(zhǎng)，無(wú)人機(jī)體積更大，可再生能源的儲(chǔ)存效率更高。”他還補(bǔ)充說(shuō)，在十年內(nèi)，我們甚至可能看到鋰離子電池被用作火車等大型車輛的二次能源，船只和飛機(jī)。希望進(jìn)一步的研究能使我們達(dá)到目的！