2014年7月10日
为我们的笔记本电脑和电动汽车提供动力的锂离子电池在海绵状硅材料的帮助下，一次充电可以存储更多的能量，运行时间更长。
由于硅的储能能力是石墨的10倍以上，研究人员开发出了一种多孔材料来替代传统电池电极中的石墨。一篇描述这种材料作为锂离子电池电极的性能的论文今天发表在《自然通讯》上。
美国西北太平洋国家实验室研究员张吉光(Jason Zhang)表示:“硅一直被视为提高锂离子电池性能的一种方法，但硅在充电时膨胀过大，可能会破裂，导致硅电极无法使用。”“我们开发的多孔、海绵状材料为硅提供了膨胀而不破裂所需的空间。”
改进的余地
可充电锂离子电池有两个电极:一个是带正电的，由锂制成;另一个是带负电的，通常由石墨制成。当电子通过连接两者的电线时，就会产生电流。为了控制电子，带正电的锂原子——科学家称之为离子——通过另一条路径从一个电极移动到另一个电极:电极所在的电解质溶液。
锂离子电池的化学性质限制了它们能存储的能量。为了提高电池的能量容量，研究人员正在研究硅等新材料。欧洲杯足球竞彩硅电极的锂离子电池比石墨电极的电池寿命长30%左右。如果使用PNNL的硅电极锂离子电池，今天的电动汽车一次充电平均可以行驶约130英里。
不幸的是，硅在充电时体积会膨胀三倍，在材料内部产生压力，导致材料破裂。许多科学家试图制造微小的、纳米大小的电池组件，他们的想法是，更小的尺寸将给硅提供足够的空间来扩展，但这些努力尚未产生适合市场的技术。
海绵的解决方案
张和他的PNNL同事想知道海绵状的硅电极是否能达到这个目的。还有一些人在硅电极表面蚀刻小孔，但未能成功地在整个材料上形成小孔。因此，他们找到了加州大学圣地亚哥分校(University of California, San Diego)的化学家迈克尔·赛勒(Michael Sailor)寻求帮助。赛勒的研究领域包括使用多孔硅检测污染物和运送药物。PNNL使用了赛勒的方法来制造多孔硅——将薄片置于化学浴中，在材料上蚀刻出小孔——然后在结果上涂上一层薄薄的导电碳层来制作电极。
接下来，该团队与材料科学家王崇民合作，他在美国能源部的EMSL, 欧洲杯足球竞彩PNNL的环境分子科学实验室专门使用原位透射电子显微镜。欧洲杯线上买球王使用强大的显微镜来记录微型电池的特写视频，使研究人员能够更好地了解电池在运行过程中所发生的物理和化学变化。Wang将团队的海绵状碳涂层硅电极在显微镜下通过一系列的电荷和放电。
成长的空间
研究小组观察到，当充电时，新电极主要扩张到材料多孔结构产生的空间。电极的外部形状只扩大了30%，比通常硅电极的300%要小得多。而且新电极也没坏。经过1000多次充放电循环后，电极保持了80%以上的初始储能容量。
接下来，张和他的同事们计划用他们的海绵硅电极开发一个更大的电池原型。这一努力的一部分将包括创建一个更精简的生产流程，这样他们的新电极就可以以合理的成本生产。
来源:http://www.pnnl.gov/