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随着世界向可再生能源转变，化石燃料也在转变，但同时依赖于越来越多的能源消耗设备，对更大的高性能电池的需求正在快速增长。锂离子电池(LIBs)是我们大多数便携式电子产品的动力，但它们是易燃的，甚至会爆炸，就像最近的智能手机所发生的那样。为了防止这种事故，目前的解决方案是封装阳极，形成一个石墨框架，从而使锂离子绝缘。然而，这样的外壳被限制在很小的范围内，以避免物理崩溃，因此限制了电池的容量。 在寻找更好的材料方面，硅在容量方面比碳石墨电池更有优势。6个碳原子束缚一个锂原子，但一个硅原子可以同时结合4个锂原子，将电池容量乘以10倍以上。然而，能够捕捉到许多锂离子意味着阳极体积膨胀了300%到400%，导致了结构完整性的丧失。为了克服这一问题，研究人员已经在《高级科学》杂志上报道了一种基于纳米结构的阳极的设计，在防止物理崩溃的同时，它还能保持硅的优势。这款新电池的目标是提高电能，这是一种充电和传输能量的能力。 “现在电池技术的目标是提高充电速度和输出功率，虽然在很长一段时间内给你的手机或笔记本充电还不错，但你能不能在充电站花3个小时等待电动汽车充电完成呢” 在提供能量的时候，你会希望你的车在交通灯或停车标志上快速启动，这需要一个高的能量峰值，而不是缓慢的向前爬行。一个基于硅的阳极良好设计可以解决这一问题。 冲绳理工大学研究生院设计的纳米粒子新阳极理念是能够精确控制纳米颗粒的合成和相应物理结构的。层状的非结构性硅薄膜被沉积在钽金属纳米粒子支架上，使得硅被夹在钽框架中。 他们使用了一种叫做聚束沉积的技术，所要求的材料直接存放在表面，具有很大的控制作用。这是一种纯粹的物理方法，不需要化学物质，催化剂或其他粘合剂。 这一研究的结果，是一种具有高功率但抑制膨胀的阳极，而且具有良好的旋回性，电池在失去效率之前可以充电和放电的循环次数。通过研究硅的纳米结构层，科学家们发现硅具有重要的孔隙结构，其中锂离子可以以更高的速度运动，与非结构的非晶硅相比，解释了能量的增加。与此同时，硅通道沿塔纳米粒子支架的存在使得锂离子在整个结构中扩散。另一方面，钽金属外壳虽然抑制了膨胀，改善了结构的完整性，但也限制了整体的产能。 然而，这一设计目前仅处于概念验证阶段，为提高能力和增强能力打开了大门。 “这是一个非常开放的综合方法，有很多参数你可以试试，例如，我们想要优化层次的数量，它们的厚度，用其他材料替代钽金属。” 随着这项技术的铺路，未来电池的解决方案可能会在我们的生活中无处不在，将会在纳米颗粒中找到。 |
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