劍橋大學查明鋰電池使用硅納米線負極實現高容量的反應機理

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英國劍橋大學（University of Cambridge）2014年2月3日宣布，該大學的先進光電子中心緒方健（JSPS研究員）和該大學化學系教授Clare Grey開發出了可對使用硅負極的新一代鋰離子充電電池的內部反應進行實驗性分析的技術，並據此查明了鋰離子電池的反應機理。

此次的成果有望加快開發出容量達到原來數倍的鋰離子充電電池的進程。有關詳細內容已刊登在英國科學雜志發行商自然出版集團（Nature Publishing Group）的《自然通訊》（Nature Communications）上，文章題為“Revealing lithium-silicide phase transformations in nano-structured silicon-based lithium ion batteries via in situ NMR spectroscopy”。

此次開發的新型檢測系統，能在負極使用可緩和體積膨脹的硅納米線的狀態下，使用核磁共振技術（NMR）對原子排列進行分析。經過數次充放電循環后，判明了在電池工作過程中原子結合的詳細變化過程。實驗所使用的電池單元，負極採用硅納米線與碳纖維的復合體，正極採用鋰片材（鋰金屬箔），並對聚酯背板做了層壓處理。電解質採用將1M LiPF6溶解於碳酸亞乙酯（EC)和碳酸二甲酯（DMC）中獲得的溶液。硅納米線的直徑約60nm，長度約50nm。

據緒方健介紹，“用此次的技術可非常簡單地分析導致硅負極劣化的原子結合狀態。這樣便可為避免劣化的材料設計及安全性控制開辟新路”。

硅作為可實現高容量化的負極材料備受關注，但硅原子最多隻能與4個鋰原子合金化，因此在充放電中體積會以最大300％的比例反復膨脹和收縮，電池難以保持耐久性。另外，這樣形成的硅合金大多呈原子無序排列狀態，用以往的分析方法很難獲得詳細的原子級別的信息。（作者：狩集 浩志，日經技術在線！供稿）

在碳纖維上生長的硅納米線的SEM照片。(a)為平面照片，(b)為截面照片，(c)為（b）的放大圖。(d)為基於硅納米線電極的鋰離子電池及核磁共振檢測器的實驗概念圖。