佐治亚理工学院 在佐治亚理工学院马修·麦克道尔的实验室里，小型电池被用来研究纳米级中空结构的自发形成
信用:马修·麦克道尔，佐治亚理工学院 纳米级锑晶体的一个意想不到的特性——中空结构的自发形成——可以帮助下一代锂离子电池获得更高的能量密度，而不会缩短电池寿命
可逆的中空结构可以让锂离子电池储存更多的能量，从而在两次充电之间提供更多的能量
长期以来，锂离子进出合金电池阳极一直是限制使用传统材料的电池容量的一个因素
过多的离子流导致阳极材料在充放电循环中膨胀，然后收缩，导致机械性能下降，从而缩短电池寿命
为了解决这个问题，研究人员以前已经开发了中空的“蛋黄壳”纳米粒子，以适应由离子流引起的体积变化，但是制造它们既复杂又昂贵
现在，一个研究小组发现，在充放电过程中，比头发宽度小一千倍的粒子自发形成中空结构，而不改变尺寸，允许更多的离子流动而不损坏阳极
这项研究发表在6月1日的《自然纳米技术》杂志上
乔治·W·华盛顿大学的助理教授马修·麦克道尔说:“有意设计空心纳米材料已经有一段时间了，这是一种很有前途的方法，可以提高高能量密度电池的寿命和稳定性。”
佐治亚理工学院的伍德拉夫机械工程学院和材料科学与工程学院
“问题在于，在商业应用所需的大规模下直接合成这些中空纳米结构既困难又昂贵
我们的发现可以提供一种更简单的流程，这种流程可以通过一种类似于有意设计的中空结构的方式来提高性能
" 研究人员使用高分辨率电子显微镜发现了这一点，这使得他们能够直接观察电池反应，因为它们发生在纳米尺度上
“这是一个棘手的实验类型，但是如果你有耐心并且做好实验，你可以学到关于电池中材料行为的非常重要的东西，”麦克道尔说
该团队包括苏黎世联邦理工学院和橡树岭国家实验室的研究人员，他们还利用建模创建了一个理论框架，来理解为什么在从电池中去除锂的过程中，纳米粒子会自发地变空——而不是收缩
电子显微镜图像显示锑纳米粒子用于研究电池电极中空结构的自发形成
信用:马修·伯宾格尔，佐治亚理工学院 在电池循环过程中形成和可逆填充中空颗粒的能力仅出现在直径小于约30纳米的氧化物涂覆的锑纳米晶体中
研究小组发现，这种行为源于一个有弹性的天然氧化层，它允许锂化过程中的初始膨胀——离子流入阳极——但机械地防止收缩，因为锑在去除离子的过程中形成空隙，这一过程被称为脱锂
这一发现有点令人惊讶，因为早期对相关材料的研究是在较大的颗粒上进行的，这些颗粒会膨胀和收缩，而不是形成中空结构
麦克道尔说:“当我们第一次观察到这种与众不同的空洞行为时，这非常令人兴奋，我们很快就知道这对电池性能有着重要的影响。”
锑相对昂贵，目前没有用于商用电池电极
但是麦克道尔认为自发的空洞化也可能发生在成本较低的相关材料中，比如锡
接下来的步骤将包括测试其他材料，并绘制出商业放大的路径图
他说:“测试其他材料，看看它们是否会根据类似的空洞机制发生变化，这将会很有趣。”
“这将扩大电池可用材料的范围
我们制造的小型试验电池显示出良好的充放电性能，因此我们希望对大型电池的材料进行评估
" 尽管价格昂贵，但自掏空的锑纳米晶体还有另一个有趣的特性:它们也可以用于钠离子和钾离子电池，这是一种新兴的系统，需要进行更多的研究
“这项工作提高了我们对电池内部这种材料如何演变的理解，”麦克道尔说
“这些信息对于在下一代锂离子电池中使用这种材料或相关材料至关重要，这种电池将能够储存更多的能量，并且与我们今天使用的电池一样耐用
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