“死亡区 ”的发现或能让高密度硅电池成为现实

据外媒报道，由于硅具有比它所取代的石墨多出许多倍的能量的潜力，对于研究下一代锂电池的科学家来说，硅是一个诱人的提议。问题是，硅无法很好地承受住电池循环的压力，但通过首次观察，研究人员对其原因有了新的认识，另外还发现了如何避免这种迅速恶化的线索。

致力于将硅集成到锂离子电池中的科学家们希望将石墨纳入或完全取代作为阳极部件的石墨，在那里它有可能储存多达10倍的能量。然而问题是，随着电池的充电和放电，硅会膨胀并导致阳极开裂并最终破坏了电池保持电量的任何机会。

多年来，我们已经看到了一些解决这一难题的一些方法，其中包括使用具有特殊纳米结构的硅、将其跟固态电解质相结合、形成硅三明治或将材料包裹在石墨烯中。现在，对硅阳极迅速失效的原因的新理解可能会极大地帮助加强其稳定性的努力，太平洋西北国家实验室的科学家现在以前所未有的细节见证了这一过程。

随着电池的循环，锂离子通过液体电解质在阳极和另一个电极即阴极之间来回移动。当这些离子进入硅阳极时，它们将硅原子推向一边，这就是导致阳极膨胀到其大小的三或四倍的原因。然后当锂离子再次离开时，它们会产生空洞从而导致电池迅速失效。

研究人员使用一个改良的透射电子显微镜来记录具有硅阳极的锂电池在充电和放电时的分子活动。这表明，随着离开的锂离子产生这些空位，它们演变成越来越大的空隙，然后液体电解质将被冲入。

这产生了扭曲阳极边缘的一个关键结构–固体电解质中间相的效果，看到它渗透到阳极并在不应该的地方形成。这样做的最终结果是产生了“死亡区”从而使阳极无法发挥作用。科学家们看到这个过程在一个电池循环后就开始了，等到36个循环时，电池保持电荷的能力明显下降。在100次循环后，阳极被破坏。

“通过目前的观察，很明显，要解决硅的问题，必须形成一个硬壳，将硅跟液体电解质隔离，”研究论文的共同作者Chongmin Wang向媒体解释，“有两种方法可以做到这一点。一种方法是在电池最初运作时在硅上“临时”形成硬壳，这需要调整液态电解质的成分以允许形成这种智能外壳。或可以在硅上涂抹一层智能涂层从而让硅跟接触的液态电解质发生隔离。

随着这些有发展前景的新途径的开辟，科学家们现在正在进行解决硅问题的“密集”研究和开发。

Wang说道：“很难预测这将需要多长时间，因为我们需要在硅上找出一个既能满足离子和电子传导又有机械弹性的“涂层”。