硅材料因儲量豐富，而當(dāng)Si與Li形成Li4.4Si結(jié)構(gòu)時，理論比容量可以達(dá)到4200mAh/g，比目前再鋰電池中廣泛使用的石墨能吸收近十倍的鋰離子，因此被認(rèn)為具有制造大容量電池的前景。當(dāng)然如此高的容量還沒能實(shí)際應(yīng)用在電池上有其缺陷，充電狀態(tài)的Si負(fù)極體積膨脹可以達(dá)到原體積的3倍，硅顆粒在吸收和釋放鋰離子時會膨脹和收縮，在多次充放電循環(huán)后容易破裂，這成為了阻攔在Si負(fù)極應(yīng)用路上最大的障礙。

據(jù)了解，目前硅材料在鋰離子電池中的應(yīng)用，主要涉及兩方面，一是在負(fù)極材料中加入納米硅，形成硅碳負(fù)極；二是在電解液中加入有機(jī)硅化合物，改善電解液的性質(zhì)，目前常見在科技雜志上的主要是集中在硅負(fù)極材料。

加拿大阿爾伯塔大學(xué)化學(xué)家布里亞克(JillianBuriak)團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)將硅塑造成納米級的顆粒有助于防止它破裂。研究測試了四種不同尺寸的硅納米顆粒，確定多大的尺寸才能最大限度地發(fā)揮硅的優(yōu)點(diǎn)，同時最大限度地減少其缺點(diǎn)。它們均勻分布在由具有納米孔徑的碳制成的高導(dǎo)電性石墨烯氣凝膠中，以彌補(bǔ)硅的低導(dǎo)電性。

納米硅，指的是直徑小于5納米的晶體硅顆粒，是一種重要的非金屬無定形材料。納米硅粉具有純度高、粒徑小、分布均勻、比表面積大、高表面活性、松裝密度低等特點(diǎn)，且無毒、無味。納米硅的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛：除了可用于制造耐高溫涂層和耐火材料，與金剛石高壓下混合形成碳化硅-金剛石復(fù)合材料，用做切削刀具外，還可以與石墨材料組成硅碳復(fù)合材料，作為鋰離子電池的負(fù)極材料，大幅提高鋰離子電池的容量;可與有機(jī)物反應(yīng)，作為有機(jī)硅高分子材料的原料。

該團(tuán)隊研究測試了四種不同尺寸的硅納米顆粒，確定多大的尺寸才能最大限度地發(fā)揮硅的優(yōu)點(diǎn)，同時最大限度地減少其缺點(diǎn)。它們均勻分布在由具有納米孔徑的碳制成的高導(dǎo)電性石墨烯氣凝膠中，以彌補(bǔ)硅的低導(dǎo)電性。

他們發(fā)現(xiàn)，最小的顆粒(直徑僅為30億分之一米)在多次充放電循環(huán)后表現(xiàn)出最佳的長期穩(wěn)定性。這克服了在鋰離子電池中使用硅的限制。這一發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致新一代電池的容量是目前鋰離子電池的10倍，朝著制造新一代硅基鋰離子電池邁出了關(guān)鍵的一步。

這項研究有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在電動汽車領(lǐng)域，可以使其行駛里程更遠(yuǎn)，充電速度更快，電池重量更輕。下一步是開發(fā)一種更快、更便宜的方法來制造硅納米顆粒，使其更容易運(yùn)用在工業(yè)生產(chǎn)上。此項研究成果發(fā)表在《材料化學(xué)》雜志上。