使用自組裝納米復合材料的鋰離子陽極可提高電池能力

使用自組裝納米復合材料的鋰離子陽極可提高電池能力。美國媒體于2010年3月16日公布，基于硅-碳納米復合材料的高性能陽極材料可望大大提高應用于寬范圍領域（從混合動力汽車到便攜式電器）使用的鋰離子電池的性能。

采用“從底部向上”的自組裝技術生產的新結構利用了納米技術優點，克服了以前硅基電池陽極的缺陷。這一簡單、低成本的組裝技術設計可使放大較容易，可與現有電池制造相媲美。

新的自組裝技術已發布在3月14日《自然材料雜志（journal Nature Materials）》上。

新途徑的開發為生產具有可控性質、分等級的陽極或陰極顆粒材料打開了大門，為鋰離子電池技術提供了新的材料，這向商業化生產鋰離子電池硅基陽極材料邁出了重要一步。

現有的鋰離子電池依賴于碳形式的石墨來制取陽極，硅基陽極在理論上其能力要比石墨高出10倍，但硅基陽極在實際應用中不夠穩定。

石墨陽極使用的顆粒尺寸為15~20微米，如果該尺寸的硅顆粒只簡單地替代石墨，則隨著鋰離子的進出，而產生的擴張和收縮，硅會產生破裂而快速引起陽極損壞。

新的納米復合材料解決了這一降解問題，有潛力可使電池設計具有使用硅的能力優勢。這有助于提高給定電池尺寸的電力輸出，使較小的電池可產出所需的電力。

在納米范圍內，與傳統尺寸規模相比，可更精確地調整材料性質，通過納米范圍組裝技術可產生更好的材料。

該復合材料陽極的組裝使其形成高導電的分枝結構，像樹形那樣，它由碳黑納米顆粒在高溫管式爐中退火制成。硅納米顆粒直徑小于30納米，在碳結構中采用化學蒸氣沉積法生成。硅-碳納米復合材料結構好像一棵樹那樣。

使用石墨碳作為導電的粘合體，硅-碳納米復合材料然后再自組裝入開放式的具有互聯內孔孔道的堅韌球體中。

這些球體尺寸范圍為10~30微米，可用于生成電池的陽極。相對較大的復合材料粉末尺寸（比單一的硅納米顆粒大1000倍）可使粉末加工用于陽極組裝較為容易。

硅-碳球中的內部孔道有二大用途，它們可容許液體電解質能快速使鋰離子進入，以使電池快速充電，它們可為硅的膨漲和收縮提供空間，而不致使陽極破裂。內部孔道和納米尺寸顆粒也可為鋰進入陽極提供短的擴散路徑，提高電池電力特性。

硅顆粒尺寸由化學蒸氣沉積過程的時間以及沉積體系所用的壓力來控制。

一旦組裝完成，納米復合材料陽極就可像常規石墨結構那樣在電池中予以應用，電池生產商采用新的陽極材料對生產過程沒有什么大的變化。