硅是目前最重要的半導(dǎo)體材料，但其應(yīng)用范圍遠(yuǎn)不止于此。美國能源部西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室研究人員設(shè)計(jì)了一種新穎的納米結(jié)構(gòu)，能夠賦予硅非凡的強(qiáng)度，使其有望成為鋰離子電池的陽極材料，成為石墨的升級版。研究人員在《自然·通訊》雜志上發(fā)表研究報(bào)告稱，他們的成果是鋰離子電池硅基陽極開發(fā)的一個(gè)飛躍，為其他類型電池材料設(shè)計(jì)提供了新的思路。

長期以來，石墨一直是鋰離子電池的關(guān)鍵組成部分。這種碳導(dǎo)電且穩(wěn)定，非常適合在充電時(shí)將鋰離子填充到電池的陽極中。但隨著對更高能量密度電池的需求不斷增加，石墨基電極也需要升級，而硅被認(rèn)為是一種很好的升級版材料。與石墨相比，硅可以吸收更多的鋰，但問題是，硅在遇到鋰時(shí)會大幅膨脹，可能會導(dǎo)致鋰電池陽極破裂粉化。

為了克服硅基陽極粉化這一難題，西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室研究人員設(shè)計(jì)了一種新穎的納米結(jié)構(gòu)。他們將細(xì)小的硅顆粒聚集到直徑約8微米的微球中，形成一種相當(dāng)于紅細(xì)胞大小的分層多孔硅結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)就像海綿一樣，內(nèi)部有空間來吸收膨脹壓力。研究表明，這種分層多孔結(jié)構(gòu)具有出色的電化學(xué)性能、機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)完整性，可用于高性能鋰離子電池陽極，其可容納的電荷也是典型石墨基陽極的兩倍。

研究人員表示，他們設(shè)計(jì)的納米結(jié)構(gòu)不僅可以滿足硅基陽極各方面的性能要求，也適用于包括壓延在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)加工程序，可以為其他類型電池材料設(shè)計(jì)提供新的思路。下一步，他們將努力開發(fā)更具擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)性的硅微球制造方法，以便進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用，最終幫助提高電動汽車、電子設(shè)備和其他設(shè)備中鋰離子電池的性能。

韓國研發(fā)硅基陽極材料大幅提升動力電池性能

對于電池制造業(yè)而言，硅并非是什么新型材料，許多電池企業(yè)都會使用硅基材料改善電池性能，硅的能量存儲能力相較石墨強(qiáng)了十倍之多。但由于硅的穩(wěn)定性較差，因此在充放電過程中會對電池充能造成極大影響，大大縮短了電池壽命。

韓國科學(xué)技術(shù)研究院(KIST)日前成功研發(fā)了硅基陽極材料，用于替代當(dāng)前電動車動力電池普遍使用的石墨材料。據(jù)悉，硅基陽極可大幅提升動力電池性能。

KIST的研究人員對硅采用了干燥處理，將其與玉米淀粉、水進(jìn)行混合，然后加熱混合物。通過食品干燥辦法中簡單且常用的熱處理工藝，將這一碳化硅復(fù)合物進(jìn)行密封，其能量存儲能力是石墨陽極材料的四倍。有望實(shí)現(xiàn)“充電5分鐘將電量充至80%”的目標(biāo)。

KIST希望將這一項(xiàng)目快速落地并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，為整個(gè)電動車行業(yè)的推進(jìn)貢獻(xiàn)力量。與此同時(shí)，電動車領(lǐng)域中，電池的能量密度也一直在提升，這意味著車輛的續(xù)航里程也在持續(xù)提升。特斯拉推出的新款車型ModelY，續(xù)航里程就達(dá)到了315英里(約合507公里)。一旦KIST的項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，生產(chǎn)比ModelY續(xù)航里程更長的車輛可能將是一件輕松的事。