鋰離子電池中的硅陽極為何會快速退化和失效？賓夕法尼亞州工程研究人員最近的一項研究提供了新的見解。科研團隊使用先進的成像技術和高對比度的金來代替硅，顯示了陽極的碎片在電池循環中是如何被困在形成的化學層中，逐漸掏空陽極，直到它散架。
可充電的鋰離子電池無處不在，為智能手機、平板電腦、筆記本電腦以及越來越多的電動汽車提供動力。因此，使這些電池更輕、更小、更便宜，並且能夠更快地充電，同時又不影響性能，是一個重大的設計挑戰。為了解決這個問題，科學家和工程師正在開發新的電極材料，可以在相同的空間內儲存更多的鋰。
其中一個有希望的解決方案是電池的負極（也稱陽極）使用鋁合金材料。例如，一磅的硅產生的“合金型”陽極，可以存儲大約 10 磅石墨相同的鋰，後者是目前在商業鋰離子電池中使用的“插層型”（intercalation-type）陽極。這意味着用前者取代後者有可能使陽極輕 10 倍，並大大縮小。
儘管有這樣的承諾，合金型陽極還沒有得到廣泛的採用。這部分是因為當鋰離子被插入陽極內的合金型硅顆粒時，這些顆粒開始膨脹並破裂，導致電池在僅僅幾個充電周期后就失效。縮小這些顆粒的尺寸，使其特徵處於納米級–例如在納米多孔硅中–可以緩解這種退化，但實際的作用機制還沒有被完全理解。
現在，在發表於《ACS能源通訊》的一項研究中，賓夕法尼亞州工程公司的研究人員揭示了當合金型陽極充電和放電時在納米尺度上發生的複雜電化學過程。對目前阻礙這類有前途的儲能材料的降解行為的更好理解，可以為新的、更有效的電池設計打開大門。
在本研究之前，常規合金型陽極退化是如何發生的，其基本模型顯示在本圖的上半部分。當帶有硅陽極的鋰離子電池充電時，硅顆粒（淺藍色）在吸收鋰離子時物理性地增長。在這些含鋰的硅顆粒（深藍色）周圍還形成了一層SEI，即固體電解質相（灰色），只是在電池放電時斷開。
這項研究為退化的原因提供了新的見解，如圖中的底部所示。在充電過程中，硅片被困在 SEI 中，當 SEI 在放電過程中與它分離時，原來的顆粒就變成了多孔的。隨着這個過程的重複，粒子的收縮越來越大，直到它最終散開。資料來源：賓夕法尼亞大學工程學院
這項研究是由材料科學與工程（MSE）系的史蒂芬森學期助理教授 Eric Detsi，以及研究生研究助理 John Corsi 和 Samuel Welborn 進行的。他們與 MSE 教授和物質結構研究實驗室（LRSM）主任 Eric Stach 合作。
正如其名稱所示，鋰離子電池通過正極（也被稱為陰極）的鋰與陽極材料之間的電化學反應來儲存能量。在充電過程中，當鋰離子實際進入陽極晶格中的空間時，它們與該材料結合，並在此過程中吸收電子；放電時，電池會移除鋰，以便重複這一過程，但在合金型陽極的情況下，也會導致陽極材料增長並最終斷裂。
在這些過程中，有多個中間步驟；了解它們在緻密硅和納米多孔硅之間的不同，可能會對後者為什麼能更好地抵禦降解提供一些提示。然而，對這些過程的密切調查一直受阻於在如此小的尺度上對相關硅結構進行成像的挑戰。
Detsi 說：“為了解決這一挑戰。我們使用透射電子顯微鏡和X射線散射技術的獨特組合來研究鋰離子電池陽極在充電和放電過程中的退化。我們使用金而不是硅，因為金在電子顯微鏡成像過程中產生比硅更好的對比度。這可以清楚地檢測到在充電和放電過程中在金電極上形成的固體電解質相間表面塗層，稱為 SEI。金也比硅散射更多的X射線，這使得它更容易探測在這些過程中陽極結構的變化”。