硅是數(shù)字革命的重要組成部分，它在此時此刻可能離您的眼睛只有幾英寸的設(shè)備上分流大量信號。現(xiàn)在，同樣豐富、廉價的材料正成為在蓬勃發(fā)展的電池業(yè)務(wù)中扮演重要角色的重要候選者。它特別有吸引力，因為它能夠在電池的一個重要部分(陽極)中容納 10 倍的能量，這是廣泛使用的石墨的10 倍。

但沒那么快。雖然硅在科學(xué)家中享有盛譽，但當(dāng)它成為電池的一部分時，材料本身就會膨脹。它膨脹得太厲害以至于陽極剝落和破裂，導(dǎo)致電池失去保持電荷的能力并最終失效。

現(xiàn)在科學(xué)家們首次目睹了這一過程，這是使硅成為可行選擇的重要一步，可以提高電動汽車以及手機、筆記本電腦、智能手表和其他小工具的電池的成本、性能和充電速度。

美國能源部太平洋西北國家實驗室的科學(xué)家王崇民說：“很多人都想象過可能會發(fā)生什么，但之前沒有人實際證明過。” 王是最近發(fā)表在《自然納米技術(shù)》上的論文的通訊作者。

硅陽極、花生醬杯和包裝好的航空旅客

鋰離子是鋰離子電池中的能量貨幣，通過稱為電解質(zhì)的液體在兩個電極之間來回移動。當(dāng)鋰離子進入由硅制成的陽極時，它們會進入有序的結(jié)構(gòu)，將硅原子推向歪斜，就像一個肥胖的航空公司乘客在擁擠的航班上擠進中間座位一樣。這種“鋰擠壓”使陽極膨脹到原來尺寸的三四倍。

當(dāng)鋰離子離開時，事情不會恢復(fù)正常。稱為空缺的空白空間仍然存在。移位的硅原子填補了許多(但不是全部)空缺，就像當(dāng)中間的乘客前往洗手間時，乘客迅速收回空的空間。但是鋰離子又回來了，再次進入。隨著鋰離子在陽極和陰極之間來回移動，該過程不斷重復(fù)，硅陽極中的空隙合并形成空隙或間隙。這些差距轉(zhuǎn)化為電池故障。

多年來，科學(xué)家們已經(jīng)知道這個過程，但他們之前并沒有確切地目睹它是如何導(dǎo)致電池故障的。一些人將失敗歸因于硅和鋰的損失。其他人則歸咎于一種稱為固體電解質(zhì)中間相或 SEI 的關(guān)鍵成分的增稠。SEI 是陽極邊緣的精細結(jié)構(gòu)，是陽極和液體電解質(zhì)之間的重要通道。

在其實驗中，該團隊觀察到鋰離子在硅陽極中留下的空位演變成越來越大的間隙。然后他們看著液態(tài)電解質(zhì)像沿著海岸線的細小溪流一樣流入縫隙，滲入硅。這種流入使 SEI 在硅內(nèi)不應(yīng)該存在的區(qū)域發(fā)展，這是它不屬于電池部分的分子入侵者。

這造成了死區(qū)，破壞了硅儲存鋰的能力并破壞了陽極。

想象一下原始形狀的花生醬杯：外面的巧克力與里面的軟花生醬截然不同。但是，如果您將它握在手中的時間過長且抓得過緊，外殼會變軟并與里面的軟巧克力混合。你只剩下一個無序的物質(zhì)，它的結(jié)構(gòu)發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的改變。你不再有一個真正的花生醬杯。同樣，在電解質(zhì)和 SEI 滲入硅后，科學(xué)家們不再有可用的陽極。

100 次循環(huán)后的硅陽極：陽極幾乎無法識別為硅結(jié)構(gòu)，而是來自固體電解質(zhì)中間相的硅(綠色)和氟(紅色)的混合物。圖片來源：王崇敏 | 太平洋西北國家實驗室

該團隊見證了這個過程在一個電池循環(huán)后立即開始。36 次循環(huán)后，電池的充電能力急劇下降。100 次循環(huán)后，陽極被毀壞。

探索硅陽極的前景

科學(xué)家們正在研究保護硅免受電解質(zhì)影響的方法。包括 PNNL 科學(xué)家在內(nèi)的幾個小組正在開發(fā)旨在充當(dāng)看門人的涂層，允許鋰離子進出陽極，同時阻止電解質(zhì)的其他成分。

來自多個機構(gòu)的科學(xué)家匯集了他們的專業(yè)知識來完成這項工作。洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學(xué)家創(chuàng)造了研究中使用的硅納米線。PNNL 科學(xué)家與 Thermo Fisher Scientific 的同行合作，修改了低溫透射電子顯微鏡，以減少用于成像的電子造成的損害。賓夕法尼亞州立大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)了一種算法來模擬液體和硅之間的分子作用。

總之，該團隊使用電子來制作該過程的超高分辨率圖像，然后以 3D 方式重建圖像，類似于醫(yī)生如何創(chuàng)建患者肢體或器官的 3D 圖像。

“這項工作為開發(fā)硅作為高容量電池的陽極提供了清晰的路線圖，”王說。

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