中国储能网讯：美国太平洋西北国家实验室（PNNL）的科研人员研发出一种多孔的海绵状材料，可以制成抗碎结构，提高锂离子电池阳极的性能。相关研究报告发表在《自然·通讯》上。

PNNL成员张广礼（Jason Zhang，音译）说：“长久以来，科研人员一直试图用硅来提升锂离子电池的性能。但是，硅在充电时会膨胀、断裂，使硅电极无法正常运行。现在，我们研发的海绵状多孔材料允许硅在体积膨胀的同时不会断裂，这就为制作硅电极提供了可能性。”

一般来讲，可充电锂离子电池由2个电极构成：1个是带正电的锂阳极，1个是带负电的石墨阴极。电子在两个电极之间来回流动就产生了电流。为了能够控制电子，带正电的锂原子（科学家称为锂离子）通过另一个路线从一个电极移到另一个电极—电池电解液。

锂离子电池的化学性能限制了其自身的储能容量。为了增加电池的储能容量，科研人员不停地寻找新材料。带有硅阴极的锂离子电池其使用寿命比石墨阴极的锂电池长30%。如果使用PNNL研发的硅阴极锂电池，电动汽车的平均单次充电行驶里程可以达到130英里左右。

海绵状硅纳米材料（图片来源：PNNL）

但是，硅的体积在充电过程中会扩大三倍，在材料内部产生压力并最终导致碎裂。许多科学家尝试使用纳米级电池部件，认为这样就会给硅留有足够的膨胀空间，但是这些都不是可以批量上市生产的技术。

张广礼（音译）与同事共同提出海绵状硅电极的想法。以前，曾有科学家在硅电极表面蚀刻微孔，但未能在整个材料上刻蚀成功。因此，他们向加州大学的化学家Michael Sailor寻求帮助，Michael Sailor的研究领域包括使用多孔硅追踪污染物和药物投递。PNNL的科学家使用Michael Sailor的方法制作多孔硅—通过化学浴在薄片上刻蚀微孔，然后包裹上一层薄的碳层制作电极。

接着，科研小组和能源部PNNL的环境分子科学实验室材料化学家王重民（音）合作。王重民专注于使用原位透射式电子显微镜的研究。他使用显微镜跟踪记录微型电池的特写视频，使科研人员能够更好地理解电池运行的物理和化学变化。通过显微镜，科研小组观察到了他们研发的海绵状的、碳包覆的硅电极在充放电过程中经历的物理和化学变化。

科研人员发现，在充电过程中，新电极大部分都扩张到材料多孔结构的剩余空间。电极外表面形状只扩大了30%，而常规的硅电极会扩大300%。此外，新电极还不会断裂。经历了1000次充放电循环后，电极的电能容量仍是原来初始容量的80%以上。

张广礼（音）及其科研小组计划研发使用海绵状硅电极的电池样品，其中包括研发流水线的生产工艺，以经济的成本制作海绵状硅电极。（中国储能网独家编译）