自发形成纳米级中空结构可以提高电池存储

纳米级锑晶体的一个意想不到的特性——中空结构的自发形成——有助于为下一代锂离子电池提供更高的能量密度，而不会缩短电池寿命。可逆的空心结构可以让锂离子电池容纳更多的能量，从而在两次充电之间提供更多的能量。

长期以来，锂离子流入和流出合金电池阳极一直是使用传统材料的电池可以容纳多少能量的限制因素。过多的离子流会导致阳极材料在充放电循环期间膨胀然后收缩，从而导致机械退化，从而缩短电池寿命。为了解决这个问题，研究人员之前已经开发出中空的“蛋黄壳”纳米颗粒，以适应由离子流引起的体积变化，但制造它们既复杂又昂贵。

现在，一个研究小组发现，比人类头发的宽度小 1000 倍的粒子在充放电循环期间自发地形成中空结构，而不会改变尺寸，从而允许更多的离子流而不会损坏阳极。这项研究于 6 月 1 日发表在《自然纳米技术》杂志上。

乔治·W·伍德拉夫机械工程学院助理教授马修·麦克道威尔说：“有意设计中空纳米材料已经有一段时间了，这是一种提高高能量密度电池寿命和稳定性的有前途的方法。”佐治亚理工学院材料科学与工程学院。“问题在于，在商业应用所需的大规模上直接合成这些中空纳米结构具有挑战性且成本高昂。我们的发现可以提供一种更简单、简化的过程，从而以类似于有意设计的中空的方式提高性能结构。”

研究人员使用高分辨率电子显微镜做出了他们的发现，该显微镜使他们能够直接观察纳米级发生的电池反应。“这是一种棘手的实验，但如果你有耐心并正确地进行实验，你就可以了解有关材料在电池中的行为的非常重要的事情，”麦克道尔说。

该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，他们还使用建模创建了一个理论框架，以了解为什么纳米颗粒在从电池中去除锂时会自发中空而不是收缩。

在电池循环期间形成和可逆填充空心颗粒的能力仅发生在直径小于约 30 纳米的氧化物涂层锑纳米晶体中。研究小组发现，这种行为源于弹性的天然氧化物层，它允许在锂化过程中进行初始膨胀——离子流入阳极——但机械地防止了收缩，因为在去除离子的过程中锑会形成空隙，这一过程被称为脱锂。

这一发现有点令人惊讶，因为相关材料的早期工作是在较大的颗粒上进行的，这些颗粒会膨胀和收缩而不是形成空心结构。“当我们第一次观察到独特的空心行为时，非常令人兴奋，我们立即知道这可能对电池性能产生重要影响，”麦克道尔说。

锑相对昂贵，目前未用于商业电池电极。但麦克道尔认为，自发空洞也可能发生在成本较低的相关材料中，例如锡。下一步将包括测试其他材料并绘制商业放大途径。

“测试其他材料以查看它们是否根据类似的空心机制转变会很有趣，”他说。“这可以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良好的充放电性能，因此我们希望评估更大电池中的材料。”

尽管它们可能很昂贵，但自空心锑纳米晶体还有另一个有趣的特性：它们还可用于钠离子和钾离子电池，这些新兴系统必须进行更多的研究。

“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，”麦克道尔说。“这些信息对于在下一代锂离子电池中实施材料或相关材料至关重要，这些电池将能够存储更多能量，并且与我们今天拥有的电池一样耐用。”