剑桥大学查明锂电池使用硅纳米线负极实现高容量的反应机理

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英国剑桥大学（University of Cambridge）2014年2月3日宣布，该大学的先进光电子中心绪方健（JSPS研究员）和该大学化学系教授Clare Grey开发出了可对使用硅负极的新一代锂离子充电电池的内部反应进行实验性分析的技术，并据此查明了锂离子电池的反应机理。

此次的成果有望加快开发出容量达到原来数倍的锂离子充电电池的进程。有关详细内容已刊登在英国科学杂志发行商自然出版集团（Nature Publishing Group）的《自然通讯》（Nature Communications）上，文章题为“Revealing lithium-silicide phase transformations in nano-structured silicon-based lithium ion batteries via in situ NMR spectroscopy”。

此次开发的新型检测系统，能在负极使用可缓和体积膨胀的硅纳米线的状态下，使用核磁共振技术（NMR）对原子排列进行分析。经过数次充放电循环后，判明了在电池工作过程中原子结合的详细变化过程。实验所使用的电池单元，负极采用硅纳米线与碳纤维的复合体，正极采用锂片材（锂金属箔），并对聚酯背板做了层压处理。电解质采用将1M LiPF6溶解于碳酸亚乙酯（EC)和碳酸二甲酯（DMC）中获得的溶液。硅纳米线的直径约60nm，长度约50nm。

据绪方健介绍，“用此次的技术可非常简单地分析导致硅负极劣化的原子结合状态。这样便可为避免劣化的材料设计及安全性控制开辟新路”。

硅作为可实现高容量化的负极材料备受关注，但硅原子最多只能与4个锂原子合金化，因此在充放电中体积会以最大300％的比例反复膨胀和收缩，电池难以保持耐久性。另外，这样形成的硅合金大多呈原子无序排列状态，用以往的分析方法很难获得详细的原子级别的信息。（作者：狩集 浩志，日经技术在线！供稿）

在碳纤维上生长的硅纳米线的SEM照片。(a)为平面照片，(b)为截面照片，(c)为（b）的放大图。(d)为基于硅纳米线电极的锂离子电池及核磁共振检测器的实验概念图。