石榴的啟示：矽奈米鋰電池朝著商用化又邁出了一步

電池是行動技術及電動車技術的發展瓶頸，一直以來未有大的突破，不過曙光似乎已經隱現，其中矽鋰電池被認為是突破電池瓶頸的希望之一。但這種技術目前仍存在一些障礙。好消息是，據自然奈米科技報導，史丹佛大學及美國能源部 SLAC 自然加速器實驗室的研究人員，從石榴身上汲取靈感，找到了突破障礙的新辦法。

我們的手機、平板及電動汽車都要用鋰電池。這些鋰電池普遍採用石墨陽極。所謂陽極，是指電池充電時用來儲能的東西。與石墨陽極相比，矽陽極的儲能能力是前者的10 倍。

但是矽陽極也有自身的缺點：脆弱。矽的脆弱會導致兩個問題：

1. 充電的時候矽會膨脹然後碎裂；
2. 矽會與電池的電解液產生反應，形成粘性物質，陽極被這些粘性物質裹住後性能會退化。

以崔屹為首的這個團隊之前曾試圖通過利用奈米技術、彈性聚合物、研發自愈電極的辦法來解決這一問題。奈米材料由於非常細小所以很難再分裂，這可以在一定程度上解決矽陽極的問題，而彈性聚合物則善於修補裂縫。其實驗取得了一定的成績—自愈電極在充放電100次後仍能保持電量基本不變。但這與手機500次充放電、電動車3000次充放電的商用目標仍有距離。

這一次這個團隊決定從石榴身上汲取靈感來尋找新突破。

膨脹前後的碳殼矽「石榴」

研究生 Nian Liu，博士生 Zhenda Lu 是該團隊的成員之一。他們利用了石油、油畫及化妝品業常見的微乳劑技術將矽「蛋黃殼」聚集到一起形成群簇，然後再用更厚的一層碳將每一群簇包裹起來—就像石榴籽一樣。碳殼保護了石榴群簇，為電流提供了一條穩定的高速公路。

而每一個石榴群簇暴露的表面僅為內部納米粒子攤開後表面的1/10，因此與原來相比，與電解液接觸的區域小了很多，產生的粘性物質自然也減少了，令電池更可控。

這群不可見的碳殼矽「石榴」可做成黑粉，塗抹在金屬箔上就能形成陽極。實驗表明，做到商用電池性能所需的厚度時這些石榴電極仍表現很好，實驗表明，這種陽極在充放電1000 次之後電池容量仍能維持97%，已經接近於商用的要求次數。

但崔屹說，真正實現技術的商用化仍有2 個問題待解決：

1. 碳殼矽「石榴」陽極的生產過程仍有待簡​​化。
2. 需要為矽納米粒子尋找更廉價的來源。Liu 認為從體量上看佔二氧化矽20% 的穀殼是可能的矽來源之一，因為這種東西轉化為純矽納米粒子相對容易。

（配圖：Greg Stewart/SLAC，圖示為效果圖，非電池的實際樣子）

參考來源：nanowerk.com