在硅線鋰離子電池中，電解質(zhì)會剝離硅，這會阻礙電子通路并大大降低這些有前途的設(shè)備的充電能力。

新論文（自然納米技術(shù)，“Progressivegrowthofthesolid–electrolyteinterphasetowardstheSianodeinteriorcausescapacityfading”）確定該過程開辟了新的研究途徑，最終利用硅的巨大潛力徹底改變高容量、持久的從手機到汽車的各種電池。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室工作人員科學(xué)家、論文的通訊作者JinkyoungYoo說，有了這一新認(rèn)識，我們建議通過開發(fā)一種將硅與電解質(zhì)隔離的涂層方法來提高硅納米線鋰離子電池的性能。Yoo是綜合技術(shù)中心(CINT)的半導(dǎo)體納米材料種植者，該中心是洛斯阿拉莫斯和桑迪亞國家實驗室的能源部用戶設(shè)施。

在不銹鋼圓盤上生長的硅納米線的照片（從左上角順時針）以側(cè)視圖、頂視圖和宏觀視圖顯示。磁盤大約有四分之一大小。NatureNanotech的新研究發(fā)現(xiàn)了限制硅在鋰離子電池中使用的過程，并確定了克服這些問題的研究途徑。具有硅陽極的電池的電存儲容量是具有典型石墨基陽極的電池的10倍。（圖片：洛斯阿拉莫斯國家實驗室）

該研究由來自一系列國家實驗室和大學(xué)的合作者進(jìn)行，通過低溫掃描透射電子顯微鏡（一種先進(jìn)的分析算法）集成了敏感元素斷層掃描，并以3D方式揭示了硅的相關(guān)結(jié)構(gòu)和化學(xué)演化以及固體電解質(zhì)的相互作用。

Yoo在不銹鋼圓盤上種植了一片硅納米線“森林”，作為電池實驗的陽極。洛斯阿拉莫斯的CINT設(shè)施具有獨特的能力，可以直接在陽極上生長這種硅線。

工業(yè)和國家實驗室研究人員都認(rèn)為硅是下一代鋰離子電池實際應(yīng)用中最有前途的高容量負(fù)極材料。電池包括將電子帶入的陽極和將電子移出以產(chǎn)生電流的陰極。

使用基于石墨的陽極，鋰離子電池使手機和電動汽車的續(xù)航里程超過400英里。使用硅陽極開發(fā)下一代，已知其存儲容量是石墨陽極電池的10倍，一直受到反復(fù)充電后容量衰減的阻礙。

在100次充電/放電循環(huán)后，使用硅的電池只能管理其原始存儲容量的60%，對于日常技術(shù)來說不夠好。

直到現(xiàn)在，沒有人知道確切的原因。

在早期的應(yīng)用中，當(dāng)硅球形顆粒暴露在電解質(zhì)中并充電時，它們會膨脹300%并破壞陽極。在所有類型的電池中，將陽極暴露于電解質(zhì)的過程會產(chǎn)生形成SEI的反應(yīng)。SEI對于電池穩(wěn)定性至關(guān)重要，SEI對于電池中的電化學(xué)反應(yīng)至關(guān)重要，并且關(guān)鍵地控制著電池的穩(wěn)定性。

當(dāng)SEI與陽極分離時，就像它與硅一樣，電接觸斷開，電池容量下降。

我們曾經(jīng)認(rèn)為納米線可以解決硅在電解質(zhì)中膨脹的問題，因為一根線可以拉長，但結(jié)果我們不明白發(fā)生了什么，Yoo解釋說。

Yoo說，新的研究發(fā)現(xiàn)，電解質(zhì)會滲透到硅的各處，形成SEI口袋，破壞電子通路。這個過程斷開了陽極中無法增加電池容量的孤立硅島。Yoo說，下一個研究步驟是涂覆硅顆粒或納米線，以在電解質(zhì)存在的情況下保持硅的完整性。