科學家發現擁有“自發中空”特性的納米材料 可提升高能鋰電池的性能

據外媒報道，一個國際科學家團隊發現了一種材料，可以使鋰離子電池在不犧牲電池壽命的情況下，擁有更多的能量。該團隊發現銻晶體在充放電循環過程中會自發地、可逆地中空，這一備受期待的特性可以在不影響安全的前提下促進更大的能量密度。

鋰離子電池通過在兩個電極（負電的陰極和正電的陽極）之間來回傳輸離子來產生電力。但在目前的狀態下，它們已經到了極限。增加鋰離子流動的努力因陽極材料的老化而受阻，陽極材料在充電和放電過程中會膨脹和收縮，導致更大的壓力，從而降低電池的壽命。

科學家們在“yolk-shel ”顆粒中看到了一個解決方案，由於中空的空隙可以適應電池充放電時的體積變化，同時提供穩定的外表面，從而提高循環能力。長期以來，將金屬合金陽極材料換成這些顆粒一直被視為一種有前景的途徑，但事實證明，以具有成本效益的方式製造它們是有問題的。

“有意地對中空納米材料進行工程化已經有一段時間了，這是一種很有前途的方法，可以提高高能量密度電池的壽命和穩定性，”來自佐治亞理工學院的研究作者Matthew McDowell説。“問題一直是，以商業應用所需的大尺度直接合成這些中空納米結構是具有挑戰性的，而且成本很高。我們的發現可以提供一種更簡單、精簡的過程，以類似於有意設計的中空結構的方式改善性能。”

來自佐治亞理工學院、蘇黎世聯邦理工學院和橡樹嶺國家實驗室的McDowell和他的同事們的發現是從直徑是人類頭髮直徑的千分之一的微小顆粒開始的。研究小組發現，這些氧化塗層銻納米晶體會在電池循環過程中自發地中空，而不是像預期的那樣膨脹和收縮。

使用高分辨率電子顯微鏡觀察小型測試電池中的納米顆粒，證實了這種中空行為，並且發現只有在直徑小於30納米左右的顆粒中才會出現。它的工作原理是通過彈性氧化層，使材料在離子流入陽極時膨脹，但在離子被移除時產生空隙，而不是導致典型的收縮行為。

“當我們第一次觀察到獨特的中空行為時，這是非常令人興奮的，我們立即知道這可能對電池性能有重要的影響，”McDowell説。

雖然這些中空的納米顆粒是一個令人興奮的發現，但對於該團隊來説，未來還有一些挑戰。銻本身價格昂貴，因此目前還沒有用於生產電池電極。然而，科學家們懷疑錫等其他更便宜的材料也可能表現出同樣的空心行為。他們現在希望探索這些可能性，並在更大的電池上進行研究，以期努力實現商業應用。

“對其他材料進行測試，看看它們是否會根據類似的空心機制進行轉化，這將是非常有趣的，”McDowell説。“這可以擴大可用於電池的材料範圍。我們製造的小型測試電池顯示出有希望的充放電性能，因此我們希望在更大的電池中評估這些材料。”

該研究發表在《自然-納米技術》雜誌上。