在腔室1中，生长由钽金属制成的纳米颗粒。在该腔室内，单个钽原子丛聚在一起，类似于雨滴的形成。在腔室2中，纳米颗粒是质量过滤的，除去太大或太小的量。在腔室3中，沉积一层纳米颗粒。然后将该层与隔离的硅原子“喷射”，形成硅层。然后可以重复该过程以创建多层结构。信用：由Pavel Puchenkov，OIST科学计算和数据分析部分创建的原理图
科学家揭示了一种新的纳米结构，可以彻底改变电池和超越技术的技术。
- 新的研究已经确定了一种改善锂离子电池中的阳极的纳米结构
- 研究人员代替使用阳极的石墨，而是转向硅：一种储存更多充电但容易破裂的材料
- 该团队通过在金属纳米粒子顶部沉积硅原子来制造硅阳极
- 所得到的纳米结构形成拱，增加了阳极的强度和结构完整性
- 电化学试验显示锂离子电池与改进的硅阳极具有更高的充电容量和更长的寿命
由冲绳科学技术研究生院(OIST)进行的一项新研究确定了一种特殊的构件，可以改善锂离子电池的阳极。今天(2021年2月5日)，该结构的独特属性被揭示和解释，它是使用纳米粒子技术建造的通信材料。
功能强大，便携和可充电，锂离子电池是现代技术的重要组成部分，在智能手机，笔记本电脑和电动车辆中发现。2019年，随着我们远离化石燃料的迁移，诺贝尔奖，他们彻底彻底地革命了我们将来彻底地拓展我们的储存和消费电力，随着我们远离化石燃料，与诺贝尔奖有关董事会成员，博士他的工作开发了锂离子电池。
传统上，石墨用于锂离子电池的阳极，但这种碳材料具有重大限制。
“当电池被充电时，锂离子被迫从电池的一侧移动 - 通过电解质溶液到电池的另一侧 - 阳极。然后，当使用电池时，锂离子向阴极移动回到阴极，电流从电池中释放，“卫星和第一个作者的第一名研究员Marta Haro博士解释说。“但在石墨阳极中，需要六个碳原子来存储一个锂离子，因此这些电池的能量密度低。”
随着科学和工业目前探索使用锂离子电池的电动汽车和航空航天工艺，提高能量密度至关重要。研究人员现在正在寻找可以增加阳极中储存的锂离子数量的新材料。
最有希望的候选材料之一是硅，它可以与4个锂离子结合在一个硅上原子。
在第一阶段，硅膜存在为刚性但摇摆柱状结构。在第二阶段，顶部触摸，形成拱形结构，这是由于拱形动作而强烈的。在第三阶段，进一步沉积硅原子导致海绵状结构。红色虚线示出了硅变形如何作为力。信贷：由奥斯特·纳米粒子博士博物馆博士创建的原理图，通过设计单元和粒子技术实验室，奥尔希希
“硅阳极可以比石墨阳极在给定体积中存储十倍的电荷 - 在能量密度方面的整个数量级，”Haro博士说。“问题是，随着锂离子进入阳极，体积变化巨大，高达约400％，导致电极断裂和断裂。”
巨大的体积变化也阻止了电解质和阳极之间的保护层的稳定形成。因此，每当电池充电时，这一层就必须不断地改造，耗尽有限的锂离子供应，降低电池的寿命和可充电性。
“我们的目标是尝试创造一种能够抵抗这些压力的更强大的阳极，可以尽可能多地吸收锂，并确保在恶化之前尽可能多的电荷循环，”纸张的高级作者Grammatikopoulos博士说。“而我们采取的方法是使用纳米颗粒建立一个结构。”
在上一篇论文中，于2017年发布高级科学，现在解散的OIST纳米粒子通过设计单元开发了一种类似蛋白质的层状结构，其中每层硅层夹在钽金属纳米粒子之间。这种改善了硅阳极的结构完整性，防止过膨胀。
在对不同厚度的硅层进行实验以观察它如何影响材料的弹性性能时，研究人员注意到了一些奇怪的事情。
“在硅层的特定厚度处有一点，结构的弹性特性完全改变了，”目前正在OIST攻读博士学位的西奥·布卢米斯(Theo Bouloumis)说，他正在进行这项实验。“该材料逐渐变硬，但当硅层厚度进一步增加时，硬度迅速下降。我们有一些想法，但当时我们不知道发生这种变化的根本原因。”
现在，这篇新论文最终为突然尖峰处于一个临界厚度的刚度突然尖峰提供了解释。
通过显微镜技术和计算机模拟在原子水平，研究人员表明，当硅原子沉积到纳米颗粒层上时，它们不形成均匀和均匀的薄膜。相反，它们形成倒锥形状的柱，随着更多硅原子沉积而越来越宽。最终，各种硅柱互相接触，形成拱形结构。
“拱形结构很强劲，就像土木工程中的拱门一样强烈，”格拉米洛克斯博士说。“同样的概念适用于纳米级。”
重要的是，结构的增加的强度也恰逢增强的电池性能。当科学家进行电化学测试时，他们发现锂离子电池的充电容量增加。保护层也更稳定，这意味着电池可以承受更多电荷循环。
这些改进仅在列触摸的精确时刻看到。在这一刻发生之前，各个柱摇摆不大，因此不能为阳极提供结构完整性。并且如果柱触摸后硅沉积继续，它会产生多孔膜，其中具有许多空隙，导致弱，海绵状行为。
这种拱形结构及其独特特性的揭示不仅是锂离子电池中硅阳极商业化的重要一步，而且在材料科学中还有许多其他潜在的应用。
“当需要诸如生物植入物或用于储存氢气的各种应力而能够承受各种应力时，可以使用拱形结构。“您需要的确切类型 - 更强大或更柔软，更灵活或更柔韧 - 可以精确地制作，只需改变图层的厚度。这是纳米结构的美丽。“
参考文献：“纳米穹窿体系结构在锂离子电池中减轻硅基阳极的压力”，Pawan Kumar，Junlei Zhao，Panagiotis Koutsogiannis，Alexander James Porrovich，Zakaria Ziadi，Theodoros Bouloumis，Vidyadhar Singh，Emilio J.Juarez-Perez，Evropi Toulkeridou，Kai Nordlund，Flyura Djurabekova，Mukhles Sowwan和Panagiotis Grammatikopoulos 2021年2月5日，通信材料。
DOI：10.1038 / s43246-021-00119-0
是第一个评论“硅阳极纳米结构产生锂离子电池的新电位”