斯坦福大学(Stanford University)的科学家们发明了一种由硅和导电聚合物水凝胶制成的新型电极，极大地提高了锂离子电池的性能。导电聚合物水凝胶是一种海绵材料，类似于用于隐形眼镜和其他家用产品的材料。
科学家们在6月4日的《自然通讯》(Nature Communications)杂志上撰文，描述了一种生产低成本硅基电池的新技术，该技术有可能应用于广泛的电子设备。
“开发高能量密度、长循环寿命的可充电锂离子电池对于解决便携式电子产品、电动汽车和其他技术不断增长的能量存储需求至关重要，”该研究的合著者、斯坦福大学化学工程教授鲍哲南(Zhenan Bao)说。
为了找到一种实用、廉价的材料来增加锂离子电池的存储容量，Bao和她在斯坦福大学的同事转向了硅——一种丰富的、对环境无害的元素，具有很好的电子性能。
“几年来，我们一直在尝试为高容量锂离子电池开发硅基电极，”该研究的合著者、斯坦福大学材料科学与工程副教授崔毅说。“硅的储电容量是碳的10倍，碳是锂离子电极的传统材料。问题是硅会膨胀和断裂。”
研究表明，硅颗粒与锂结合时，可以经历400%的体积膨胀。当电池充电或放电时，膨胀的颗粒容易断裂和失去电接触。为了克服这些技术限制，斯坦福大学的研究小组使用了一种称为原位合成聚合的制造技术，将导电水凝胶中的硅纳米颗粒包裹起来。
通过这种技术，科学家们可以制造出通过5000次充放电循环仍能保持高容量的稳定锂离子电池。
“我们将电池异常的电化学稳定性归因于硅复合电极的独特纳米尺度结构，”Bao说。
利用扫描电子显微镜，科学家们发现多孔水凝胶基质中布满了空隙，当锂插入时，硅纳米颗粒可以膨胀。这个矩阵还形成了一个三维网络，在充放电过程中创造了一个电子传导途径。
“事实证明,水凝胶结合位点,门闩上硅颗粒很好,同时提供电子和锂离子的快速传输渠道,“崔解释说,与斯坦福大学的首席研究员原材料和能源科学研究所SLAC国家加速器实验室。“这是一个非常强大的组合。”
水凝胶和硅的简单混合证明远不如原位合成聚合技术有效。“先制造水凝胶，再将其与硅颗粒混合，效果并不好，”鲍说。“这需要一个额外的步骤，实际上会降低电池的性能。通过我们的技术，每个硅纳米颗粒被封装在导电聚合物表面涂层中，并与水凝胶框架连接。这提高了电池的整体稳定性。”
水凝胶主要由水组成，水会导致锂离子电池起火——这是一个研究小组必须解决的潜在问题。Bao说:“我们利用了电极中水凝胶的三维网络特性，但在最终生产阶段，水被去除了。”“你不希望水进入锂离子电池。”
尽管仍存在一些技术问题，但Cui对这种新技术在制造硅和其他材料电极方面的商业应用前景表示乐观。
“研究中使用的电极制造工艺与现有的电池制造技术兼容，”他说。“硅和水凝胶也很便宜，而且很容易获得。这些因素可以使高性能硅复合电极被放大，用于制造下一代锂离子电池。这是一种非常简单的方法，却产生了非常强大的结果。”
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