太平洋西北国家实验室 由于添加了碳纳米管，硅微球具有非凡的机械强度，这使得微球类似于纱线球
在该图中，左边的图像显示了由沉积在碳纳米管上的硅纳米粒子制成的微球的一部分的特写
信用:迈克尔·帕金斯/PNNL 你在铅笔尖上找到的同样的材料——石墨——长期以来一直是当今锂离子电池的关键成分
然而，随着我们对这些电池的依赖增加，石墨基电极应该升级了
为此，科学家们正在寻找数字革命的核心元素:硅
美国科学家
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能源部西北太平洋国家实验室想出了一种新的方法来使用这种有希望但有问题的储能成分
用于计算机芯片和许多其他产品的硅很有吸引力，因为它每克的电荷是石墨的10倍
麻烦的是，硅遇到锂时膨胀很大，而且太弱，承受不了电极制造的压力
为了解决这些问题，研究人员张继光和领导的团队开发了一种独特的纳米结构，这种结构限制了硅的膨胀，同时用碳强化硅
他们的工作最近发表在《自然通讯》杂志上，可以为其他类型电池的新电极材料设计提供信息，并最终帮助提高电动汽车、电子设备和其他设备中锂离子电池的能量容量
把硅的缺点去掉 石墨是碳的一种导电且稳定的形式，非常适合在充电时将锂离子装入电池的阳极
硅可以比石墨吸收更多的锂，但是它的体积会膨胀300%，导致阳极破裂
研究人员通过将小硅颗粒聚集成直径约为8微米的微球——大致相当于一个红细胞的大小——创造了一种多孔形式的硅
“例如，像石头这样的固体物质，如果体积膨胀太大，就会破裂，”张说
“我们创造的东西更像海绵，里面有空间吸收膨胀
" 研究发现，具有多孔硅结构的电极厚度变化小于20%，同时容纳的电荷是典型石墨阳极的两倍
然而，与以前版本的多孔硅不同，微球还表现出非凡的机械强度，这要归功于碳纳米管使球体看起来像纱线球
超强微球 研究人员通过几个步骤创建了这种结构，首先用氧化硅覆盖碳纳米管
接下来，将纳米管放入油和水的乳液中
然后他们被加热到沸腾
“当水蒸发时，包覆的碳纳米管凝结成球状，”李说
“然后我们使用铝和更高的热量将氧化硅转化为硅，然后浸入水和酸中去除副产物
“从这个过程中出现的是一种由碳纳米管表面的微小硅颗粒组成的粉末
使用原子力显微镜的探针测试多孔硅球的强度
作者发现其中一个纳米大小的纱线球“在非常高的压缩力下可能会略微屈服并失去一些孔隙率，但是它不会断裂
" 这对商业化来说是个好兆头，因为阳极材料必须能够在制造过程中承受辊子的高压力
张说，下一步是开发更具可扩展性和经济性的硅微球制造方法，以便有朝一日它们能够进入下一代高性能锂离子电池
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