近期，沖繩科學技術大學院大學（OIST）的研究人員發現了一種特殊結構——拱形納米硅陽極，可以改善一直以來鋰離子電池石墨陽極所存在的弊端。該研究成果已于本月5日刊登在了《通信材料》（Communications Materials）雜志上。
功能強大、攜帶方便、可充電的鋰離子電池是現代技術的重要組成部分，廣泛應用于智能手機、筆記本電腦和電動汽車等。隨著人類逐步遠離化石燃料，它們在未來改變存儲和消費電力方式的潛力得到了各界的認可。傳統上，石墨被用作鋰離子電池的陽極，但是這種碳材料有很大的局限性。
研究人員解釋稱，當電池充電時，鋰離子被迫從電池的一端（陰極）通過電解質溶液移動到電池的另一端（陽極）。然后，當電池被使用時，鋰離子會回到陰極，電池釋放電流。然而，在石墨陽極中，一個鋰離子需要六個碳原子來存儲，所以這些電池的能量密度很低。
隨著科學和工業界都在不斷探索使用鋰離子電池為電動汽車和航天飛機提供動力，提高能量密度如今也變得愈發重要。研究人員現在正在尋找新的材料，可以增加鋰離子在陽極中的存儲數量。目前，最有希望的候選材料之一是硅，它可以為每一個硅原子綁定四個鋰離子。
研究人員說，“硅陽極在給定體積內可以儲存的電荷是石墨陽極的十倍，在能量密度方面要高出整整一個數量級。但問題是，當鋰離子進入陽極時，體積變化是巨大的，高達400%左右，這會導致電極斷裂。”
此外，巨大的體積變化也阻止了電解質和陽極之間保護層的穩定形成。因此，每當電池充電時，這一層就必須不斷地改造，耗盡有限的鋰離子供應，并降低電池的壽命和可充電性。
該研究資深作者Grammatikopoulos博士表示，“我們的目標是嘗試創造一種更堅固的陽極，能夠抵抗這些壓力，能夠吸收盡可能多的鋰，并確保盡可能多的充電循環。我們采用的方法是用納米顆粒構建一個結構。”
如下圖所示，在第一階段，硅薄膜以剛性但不穩定的柱狀結構存在。在第二階段，柱子在頂部接觸，形成拱形結構，由于拱的作用，拱形結構很堅固。在第三階段，硅原子進一步沉積形成海綿狀結構。紅色虛線顯示了硅在施力時是如何變形的。
Grammatikopoulos博士說，“拱形結構很堅固，就像土木工程中的拱門一樣堅固。同樣的概念也適用于納米尺度。”
重要的是，結構強度的增加也與電池性能的提高相一致。當科學家們進行電化學測試時，他們發現鋰離子電池的充電容量增加了。保護層也更穩定，這意味著電池可以承受更多的充電循環。
這種拱形結構及其獨特特性的揭示不僅是鋰離子電池中硅陽極商業化的重要一步，而且在材料科學領域中還有許多其他潛在的應用。
研究人員表示：“當需要堅固且能承受各種壓力的材料時，就可以使用這種拱形結構，比如用于生物植入物或儲存氫氣。你只需要知道材料的確切類型，是更硬還是更軟，更有彈性還是不那么有彈性，只需簡單地改變層的厚度就可以精確地實現，這就是納米結構的魅力所在。”
