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对含有不同锂离子含量的硅结构进行机械降解过程的详细纳米机械研究为试图开发使用硅基电极的可靠下一代可充电电池的研究人员提供了好消息。

基于硅的阳极 - 负极 - 理论上可以储存比传统石墨电极多十倍的锂离子，使得该材料在高性能锂离子电池中的应用具有吸引力。然而，材料的脆性阻碍了在电池阳极中使用纯硅的努力，电池阳极必须在充电和放电循环期间承受显着的体积变化。

结合实验和模拟技术，佐治亚理工学院和其他三个研究机构的研究人员报告了电化学锂化硅材料中令人惊讶的高损伤容限。该工作表明，如果电池电荷水平保持足够高以使材料保持其延展状态，则全硅阳极可以在商业上可行。

该研究报告于9月24日在Nature Communications杂志上发布，得到了国家科学基金会的支持。

“硅具有非常高的理论能力，但由于感知到的机械问题，人们对在下一代电池中使用它感到沮丧，”乔治·W·伍德拉夫乔治·伍德拉夫机械工程学院助理教授Shuman Xia说。技术。“但我们的研究表明，锂化硅不像我们想象的那么脆弱。如果我们仔细研究操作窗口和放电深度，我们的结果表明我们可以设计出非常耐用的硅基电池。”

目前，锂离子电池广泛用于从手持移动设备到笔记本电脑和电动车辆的各种应用中。新一代高容量电池可以促进扩大的运输应用和大规模储存可再生能源产生的电力。

挑战是将更多锂离子注入电池的阳极和阴极。今天的锂电池使用石墨阳极，但硅已被确定为替代品，因为它可以在每个原子上储存更多的锂离子。然而，存储这些离子会产生高达280%的体积变化，从而导致应力会破坏由纯硅制成的阳极，从而导致显着的性能下降。一种策略是使用硅颗粒和石墨的复合材料，但这并未实现硅的全部潜力以提高电池容量。

为了解材料的发生情况，研究团队采用了一系列系统的纳米力学测试，并以分子动力学模拟为后盾。为了便于他们的研究，他们使用硅纳米线和含有厚度约为300纳米的硅膜的电化学电池。

研究人员研究了硅薄膜锂化产生的应力，并使用纳米压痕仪 - 一种用于在薄膜表面施加压力的微小尖端 - 来研究这些薄膜中的裂纹扩展，这些薄膜含有不同量的锂离子。贫锂硅在压痕应力下破裂，但研究人员惊讶地发现，在一定浓度的锂之上，它们不再能够破裂薄膜样品。

利用独特的实验设备评估机械弯曲对部分锂化硅离子纳米线的影响，由匹兹堡大学的Scott Mao教授领导的研究人员使用透射电子显微镜(TEM)实时研究纳米线损伤机制。他们的原位测试表明，纳米线的硅芯保持脆性，而导线的外部随着吸收锂而变得更具延展性。

“我们的纳米压痕和透射电镜实验非常一致，”夏说。“两者都表明锂化硅材料变得非常容忍损坏，因为锂浓度超过一定水平 - 锂与硅的摩尔比约为1.5。超过这个水平，我们甚至不能用非常大的压痕引起裂纹负载“。

乔治亚理工学院伍德拉夫机械工程学院教授Ting Zhu进行了详细的分子动力学模拟，以了解电化学锂化硅中发生的情况。他发现，随着越来越多的锂进入硅结构，延展性锂 - 锂和锂 - 硅键克服了硅 - 硅键的脆性，使得到的锂 - 硅合金具有更理想的断裂强度。

“在我们对富锂合金的模拟中，锂 - 锂键占主导地位，”朱说。“由于大部分锂 - 锂和锂 - 硅键，可以有效地抑制裂缝的形成和裂缝扩展。我们的模拟揭示了合金从脆性状态向韧性状态转变的基础。”

研究结果表明，硅结构的机械性能随锂含量的变化而变化。通过提出硅保持韧性的一系列工作条件，夏希望这项工作将使电池工程师重新审视全硅电极。

“从实际和基本的角度来看，我们的工作对高容量锂电池的开发具有根本和直接的影响，”他说。“锂化硅可以具有超过锂浓度阈值的非常高的损伤容限。这告诉我们，如果我们小心控制放电深度，硅基电池可以非常耐用。”

在未来的工作中，夏和朱希望研究锗的机械性能，这是另一种用于高速可充电锂离子电池的潜在阳极材料。他们还将研究全固态电池，它可以在没有液体电解质的情况下在两个电极之间穿梭离子。“我们希望找到一种具有高锂离子传导性和良好机械强度的固体电解质，以取代目前高度易燃的液体电解质，”朱说。

“我们在这里开发的研究框架普遍适用于各种电极材料，”Xia指出。“我们相信这项工作将刺激电池研究的许多新方向。