在室1中，生长由钽金属制成的纳米颗粒。在这个室内，单个钽原子聚集在一起，类似于雨滴的形成。在室2中，纳米颗粒被大量过滤，去除过大或过小的颗粒。在室3中，沉积一层纳米粒子。然后用隔离的硅原子“喷涂”该层，形成硅层。然后可以重复这个过程来创建多层结构。信用:帕维尔·普钦科夫，OIST科学计算与研究中心；数据分析科。冲绳科学技术研究所研究生院(OIST)进行的新研究已经确定了一种特定的构件，可以改善锂离子电池的阳极。这种利用纳米粒子技术构建的结构的独特性质，今天在《通信材料》中被揭示和解释。功能强大、便携且可充电的锂离子电池是现代技术的重要组成部分，存在于智能手机、笔记本电脑和电动汽车中。2019年，随着我们逐渐远离化石燃料，它们在未来彻底改变我们储存和消耗电力的方式方面的潜力得到了显著认可，诺贝尔奖共同授予了OIST董事会新成员阿基拉·吉野博士，以表彰他在开发锂离子电池方面的工作。
传统上，石墨被用作锂离子电池的阳极，但是这种碳材料有很大的局限性。
“当电池充电时，锂离子被迫从电池的一侧(阴极)通过电解质溶液移动到电池的另一侧(阳极)。OIST大学前研究员、该研究的第一作者玛尔塔·哈罗博士解释说:“当使用电池时，锂离子回到阴极，电流从电池中释放出来。“但是在石墨阳极中，需要六个碳原子来储存一个锂离子，所以这些电池的能量密度很低。”
科学和工业目前正在探索使用锂离子电池为电动汽车和航天飞机提供动力，因此提高能量密度至关重要。研究人员现在正在寻找能够增加储存在阳极中的锂离子数量的新材料。
最有希望的候选材料之一是硅，每一个硅原子可以结合四个锂离子。
哈罗博士说:“在给定的体积内，硅阳极可以储存十倍于石墨阳极的电荷——就能量密度而言，可以高出整整一个数量级。”。“问题是，随着锂离子进入阳极，体积变化巨大，高达400%左右，这会导致电极断裂和断裂。”
大的体积变化也阻止了位于电解质和阳极之间的保护层的稳定形成。因此，每当电池充电时，这一层必须不断地重新形成，耗尽有限的锂离子供应，并降低电池的寿命和可充电性。
该论文的资深作者Grammatikopoulos博士说:“我们的目标是试图创造一种更坚固的阳极，能够抵抗这些应力，能够吸收尽可能多的锂，并确保尽可能多的充电周期，而不会恶化。"我们采取的方法是用纳米粒子构建一个结构."
在第一阶段，硅膜以刚性但不稳定的柱状结构存在。第二阶段，柱子在顶部接触，形成拱形结构，由于拱形作用而坚固。在第三阶段，硅原子的进一步沉积导致海绵状结构。红色虚线显示了硅在受力时如何变形。credi t:Panagiotis Grammatikopoulos博士，OIST纳米粒子设计单位和粒子技术实验室，ETH Zürich在2017年发表在《高级科学》上的一篇论文中，现已解散的OIST纳米粒子设计单位开发了一种蛋糕状分层结构，其中每层硅都夹在钽金属纳米粒子之间。这改善了硅阳极的结构完整性，防止了过度膨胀。
在实验不同厚度的硅层以观察它如何影响材料的弹性时，研究人员注意到了一些奇怪的东西。
“在硅层的特定厚度上，有一点结构的弹性性质完全改变了，”正在进行这项实验的OIST大学博士生西奥·布卢米斯说。“材料逐渐变得更硬，但当硅层的厚度进一步增加时，刚度迅速降低。我们有一些想法，但当时，我们不知道为什么会发生这种变化背后的根本原因。”
这篇新论文最后解释了在一个临界厚度时刚度突然增加的原因。通过显微镜技术和原子水平的计算机模拟，研究人员表明，当硅原子沉积在纳米粒子层上时，它们不会形成均匀一致的薄膜。相反，它们形成倒圆锥形的柱体，随着更多硅原子的沉积，柱体越来越宽。最终，各个硅柱相互接触，形成一个拱形结构。
“拱形结构很坚固，就像土木工程中的拱门一样坚固，”Grammatikopoulos博士说。“同样的概念也适用于纳米尺度。”
重要的是，结构强度的增加也与电池性能的提高相吻合。当科学家们进行电化学测试时，他们发现锂离子电池的充电容量增加了。保护层也更稳定，这意味着电池可以承受更多的充电周期。
这些改进只有在立柱接触的精确时刻才能看到。在这一时刻发生之前，单个的支柱是不稳定的，因此不能为阳极提供结构完整性。如果硅在柱子接触后继续沉积，它会形成一层多孔膜，其中有许多空隙，导致一种微弱的海绵状行为。
这揭示了拱形结构及其如何获得独特性能，不仅是锂离子电池硅阳极商业化的重要一步，而且在材料科学中还有许多其他潜在应用。
Grammatikopoulos博士说:“当需要坚固且能够承受各种应力的材料时，可以使用拱形结构，例如用于生物植入或储存氢气。“你需要的确切类型的材料——更强或更软、更柔韧或不太柔韧——可以通过简单地改变层的厚度来精确制造。这就是纳米结构的美妙之处。”
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