特性纳米材料新发现，锂电池或将拥有更多能量

文/陈根

近日，一个国际科学家团队在《自然·纳米技术》杂志上发布了一项研究，

研究展示了一种材料，可以使锂离子电池在不牺牲电池寿命的情况下，拥有更多的能量。该团队发现锑晶体在充放电循环过程中会自发地、可逆地中空，这一备受期待的特性可以在不影响安全的前提下促进更大的能量密度。

一般情况下，锂离子电池通过在两个电极（负电的阴极和正电的阳极）之间来回传输离子来产生电力。但在目前的状态下，它们已经到了极限。增加锂离子流动的努力因阳极材料的老化而受阻，阳极材料在充电和放电过程中会膨胀和收缩，导致更大的压力，从而降低电池的寿命。

此外，用于锂离子电池的高容量合金阳极材料长期以来一直受到锂插入和去除过程中大体积变化引起的有限循环性的阻碍。空心和蛋黄壳纳米结构已被用于通过提供内部空隙空间以适应体积变化和机械和尺寸稳定的外表面来增加循环稳定性。然而，这些材料需要复杂的合成程序。

而研究人员使用原位透射电子显微镜，显示足够小的锑纳米晶体在去除锂时自发形成均匀的空隙，然后在循环期间可逆地填充和腾出锂。研究的发现源于弹性天然氧化物层，其允许在锂化期间的初始膨胀但机械地防止收缩，因为锑在脱锂期间形成空隙。

随后，研究人员开发了解释这些观察结果的化学机械模型，并且证明了这种行为与尺寸有关。因此，锑自然演变形成合金阳极的最佳纳米结构，正如通过半电池配置的电化学实验所示，其中15nm锑纳米晶体具有比较大纳米颗粒更高的库仑效率。

虽然这些中空的纳米颗粒是一个令人兴奋的发现，但对于该团队来说，未来还有一些挑战。锑本身价格昂贵，因此目前还没有用于生产电池电极，此外，科学家们怀疑锡等其他更便宜的材料也可能表现出同样的空心行为。研究人员们现在希望探索这些可能性，并在更大的电池上进行研究，以期努力实现商业应用。