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今天的鋰離子電池由一對電極和電解質溶液組成,以在兩者之間攜帶鋰離子,其中一個電極稱為陽極,由石墨制成。鋰離子電池在智能手機、筆記本電腦、電動汽車等各種用途上都有很好的應用,但科學傢們看到瞭其他方面的可能性。

“當電池正在充電時,鋰離子被迫從電池的一側--陰極--通過電解質溶液移動到電池的另一側--陽極,”新研究的第一作者Marta Haro博士說。“然後,當電池被使用時,鋰離子會移回陰極,並從電池中釋放電流。但在石墨陽極中,需要6個碳原子才能儲存一個鋰離子,所以這些電池的能量密度很低。”

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同時,使用矽來代替石墨,可以顯著提升這種能量密度,因為每個矽原子可以與四個鋰離子結合。但迄今為止,為實現這一目標所做的努力遇到瞭穩定性問題,因為矽並不像石墨那樣具有耐用性,往往會在電池循環時膨脹、收縮和破裂。

“矽陽極在給定體積內可以存儲的電荷量是石墨陽極的10倍--在能量密度方面高出整整一個數量級,”Haro博士說。“問題是,當鋰離子移入陽極時,體積變化巨大,高達400%左右,這會導致電極斷裂和破裂。”

我們已經看到瞭一些創造性的解決方案,以解決矽陽極的這種耐久性問題,包括將材料加工成海綿狀的納米纖維,微小的球體,或將其夾在碳納米管片之間。

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Haro和沖繩科學技術研究生院(OIST)的一個研究小組正在探索另一種技術,涉及一種類似於蛋糕的結構,在金屬納米顆粒之間放置矽層。該團隊正在用不同厚度的矽層進行實驗,並找到瞭一個甜蜜點,使材料具有一些非常有用的特性。

“材料逐漸變得更硬,但當矽層厚度進一步增加時,剛度又迅速下降,”研究作者Theo Bouloumis說。“我們有一些想法,但當時我們並不知道這種變化發生的根本原因。”

仔細觀察發現,當矽原子沉積到金屬納米顆粒上時,它們會形成倒錐體形狀的小柱子,朝上更厚。這意味著,隨著更多矽原子的沉積和柱子的高度增長,它們的寬度會增長到足以相互接觸,並形成一個納米級的拱形結構。

“拱頂結構很堅固,就像土木工程中的拱門很堅固一樣,”該研究的高級作者Panagiotis Grammatikopoulos博士說。“同樣的概念也適用,隻是在納米尺度上。”

該研究發表在《Communications Materials》雜志上。

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