鋰離子電池中的硅陽極材料迎來新突破

英國Warwick大學的研究人員發現了一種有效的方法，用石墨烯桁架強化硅陽極的結構，用硅取代鋰離子電池陽極中的石墨，可以使可充電鋰離子電池的使用壽命增加一倍以上，這大大延長了陽極的使用壽命，並且還增加了這些電池的容量。

包含FLG薄片和微米級硅顆粒的新型陽極材料的掃描電子顯微鏡圖像。圖片來源：University of Warwick

自索尼公司最初推出鋰離子電池以來，石墨一直是鋰離子電池陽極的默認選擇材料。但研究人員和製造商一直在尋找用硅來取代石墨的方法，硅是一種豐富的可用元素，同等質量下是石墨能量密度的10倍之多。不幸的是，硅有幾個性能問題一直在限制著它的商業利用。

由於鋰離子的嵌入（或稱鋰離子形成）引起體積膨脹，硅粒子在充電過程中可能以電化學方式團聚，從而降低電池的充放電效率。硅也不具有足夠的彈性來應對多次充電時的岩石化應變，從而導致陽極複合組織的開裂、粉化和快速物理降解。隨著時間的推移，這極大地降低了電池的容量，相對的電極陰極也會發生退化。這就是為什麼行動電話在使用一段時間後需要更長的充電時間，以及為什麼它們的電量不能保持較長的時間。

科學家們已經嘗試了很多方法來克服這些問題，其中包括使用納米尺寸的硅微粒或摻入微米尺寸的石墨烯。儘管納米尺寸的硅顆粒顯著增加了有效的反應表面，但它們也導致在第一次充電循環期間更多的鋰沉積在硅上。這導致硅和電解質之間形成中間相隔離屏障，大大降低了鋰的存量，從而降低了電池的使用壽命。隨著中間層在硅上繼續增厚，鋰會不斷地失去。而第二個方法——納入不同尺度的石墨烯——已被認為對於大規模生產是不切實際的。

在新的研究中， Warwick大學Melanie Loveridge領導的一個研究小組發現並測試了一種新的陽極材料，這種材料含有一種經化學改性的石墨烯，這種材料可以解決這些問題，並創造出可行的硅陽極鋰離子電池。這種方法可以在工業規模上實際製造，而不需要納米尺寸的硅及其帶來的相關問題。Loveridge和她的同事在《科學報告》的一篇論文中報告了他們的研究成果。

石墨烯是單層的石墨（碳的同素異形體）。然而，也能通過某些操作，分離出幾個連接的石墨烯層，產生一種稱為「少量層石墨烯」（FLG）的材料。先前的研究已經測試了FLG與納米硅的使用，但這項新的研究發現，FLG在陽極中使用時，也能顯著地提高更大的微米級硅粒子的性能。Loveridge和她的團隊發現，這種FLG和微米級硅的混合物可以顯著延長鋰離子電池的壽命，同時還能提供更高的功率能力。

這些陽極實際上由60%的微硅顆粒、16%的FLG、14%的鈉/聚丙烯酸和10%的碳添加劑組成。研究人員在100個充放電循環中檢查了這些陽極的性能（以及材料結構的變化）。

「FLG的薄片在陽極中混合，就像一組強而相對有彈性的大梁，」洛夫里奇解釋說，「FLG的薄片提高了材料的回彈性和拉伸性能，大大減少了硅在岩石形成過程中的物理膨脹所造成的損害。石墨烯提高了陽極的長程電導率，並在結構穩定的複合材料中保持了較低的電阻。

「更重要的是，這些FLG薄片在保持硅顆粒之間的分離程度方面也是非常有效的，否則硅顆粒會受電荷影響相互團聚在一起。這種日益增加的團聚現象日益減少和限制了電解液進入電池中的所有粒子，並阻礙了鋰離子的有效擴散，這當然會降低電池的壽命和功率輸出。在由沃里克WMG大學測試的混合物中存在FLG，這促使研究人員推測，這種現象在減緩電化學硅融合方面是非常有效的。這項工作得到了系統調查的支持。」

這篇文章摘自materials today網站，原為標題為Graphene girders help support silicon anodes in lithium-ion batteries，由材料科技在線團隊編譯整理。

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