纳米级中空结构的形成可以提高电池的存储能力

纳米级锑晶体的一个意想不到的特性——自发形成空心结构——可以帮助下一代锂离子电池在不减少电池寿命的情况下提高能量密度。这种可逆的中空结构可以让锂离子电池储存更多的能量，从而在两次充电之间提供更多的电力。

长期以来，锂离子进出合金电池阳极的流动一直是限制使用传统材料的电池能容纳多少能量的一个因素。过多的离子流会导致阳极材料膨胀，然后在充放电循环中收缩，导致机械退化，缩短电池寿命。为了解决这个问题，研究人员先前已经开发出中空的“蛋黄壳”纳米颗粒，以适应离子流动引起的体积变化，但制造它们是复杂而昂贵的。

现在，一个研究小组发现，比人类头发宽度小一千倍的粒子在充放电循环中自发形成空心结构而不改变大小，允许更多的离子流动而不损坏阳极。

乔治亚理工学院乔治·w·伍德拉夫机械工程学院和材料科学与工程学院的助理教授马修·麦克道尔说:“有意设计中空纳米材料已经有一段时间了，这是一种很有前途的方法，可以提高高能量密度电池的寿命和稳定性。”“问题是，直接大规模合成这些中空纳米结构用于商业应用是具有挑战性和昂贵的。我们的发现可以提供一个更简单、简化的过程，可以以一种类似于故意设计的空心结构的方式提高性能。”

研究人员使用高分辨率电子显微镜发现了他们的发现，这使他们能够直接看到电池在纳米尺度上发生的反应。麦克道尔说:“这是一种棘手的实验，但如果你有耐心，并把实验做对，你就能了解到关于电池中材料行为的真正重要的东西。”

这个团队，包括来自苏黎世联邦理工学院和橡树岭国家实验室的研究人员，也使用建模来创建一个理论框架，以理解为什么纳米粒子在从电池中取出锂时自发中空而不是收缩。

在电池循环过程中形成和可逆填充空心颗粒的能力只发生在直径小于约30纳米的氧化包覆的锑纳米晶体中。研究小组发现，这种行为源于一种有弹性的天然氧化层，它允许锂化过程中的初始膨胀——离子流入阳极——但在去除离子的过程中，由于锑形成空隙，机械上防止收缩，这一过程被称为delithiation。

这一发现有点令人惊讶，因为早期对相关材料的研究是在更大的颗粒上进行的，这些颗粒会膨胀和收缩，而不是形成空心结构。麦克道尔说:“当我们第一次观察到这种独特的中空行为时，我们非常兴奋，我们立即意识到这可能对电池性能产生重要影响。”

锑相对昂贵，目前尚未用于商业电池电极。但麦克道尔认为，自发空化也可能发生在成本较低的相关材料中，如锡。接下来的步骤将包括测试其他材料和绘制商业规模的路径。

他说:“测试其他材料，看看它们是否会根据类似的中空机制进行转化，这将是一件有趣的事情。”“这可能会扩大可用于电池的材料范围。我们制造的小型测试电池显示出很好的充放电性能，所以我们想在更大的电池中评估这种材料。”

虽然它们可能很昂贵，但自空的锑纳米晶体还有另一个有趣的特性:它们也可以用于钠离子和钾离子电池，这些新兴系统需要做更多的研究。

麦克道尔说:“这项工作促进了我们对这种材料在电池内部如何演变的理解。”“这一信息对于在下一代锂离子电池中应用这种材料或相关材料至关重要，下一代锂离子电池将能够存储更多的能量，并且与我们今天的电池一样耐用。”

-副主编Chris Vavra编辑控制工程、CFE媒体与技术、cvavra@cfemedia.com．

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