據外媒報道，由於硅具有比它所取代的石墨多出許多倍的能量的潛力，對於研究下一代鋰電池的科學家來說，硅是一個誘人的提議。問題是，硅無法很好地承受住電池循環的壓力，但通過首次觀察，研究人員對其原因有了新的認識，另外還發現了如何避免這種迅速惡化的線索。
致力於將硅集成到鋰離子電池中的科學家們希望將石墨納入或完全取代作為陽極部件的石墨，在那裡它有可能儲存多達10倍的能量。然而問題是，隨着電池的充電和放電，硅會膨脹並導致陽極開裂並最終破壞了電池保持電量的任何機會。
多年來，我們已經看到了一些解決這一難題的一些方法，其中包括使用具有特殊納米結構的硅、將其跟固態電解質相結合、形成硅三明治或將材料包裹在石墨烯中。現在，對硅陽極迅速失效的原因的新理解可能會極大地幫助加強其穩定性的努力，太平洋西北國家實驗室的科學家現在以前所未有的細節見證了這一過程。
隨着電池的循環，鋰離子通過液體電解質在陽極和另一個電極即陰極之間來回移動。當這些離子進入硅陽極時，它們將硅原子推向一邊，這就是導致陽極膨脹到其大小的三或四倍的原因。然後當鋰離子再次離開時，它們會產生空洞從而導致電池迅速失效。
研究人員使用一個改良的透射電子顯微鏡來記錄具有硅陽極的鋰電池在充電和放電時的分子活動。這表明，隨着離開的鋰離子產生這些空位，它們演變成越來越大的空隙，然後液體電解質將被沖入。
這產生了扭曲陽極邊緣的一個關鍵結構–固體電解質中間相的效果，看到它滲透到陽極並在不應該的地方形成。這樣做的最終結果是產生了“死亡區”從而使陽極無法發揮作用。科學家們看到這個過程在一個電池循環后就開始了，等到36個循環時，電池保持電荷的能力明顯下降。在100次循環后，陽極被破壞。
“通過目前的觀察，很明顯，要解決硅的問題，必須形成一個硬殼，將硅跟液體電解質隔離，”研究論文的共同作者Chongmin Wang向媒體解釋，“有兩種方法可以做到這一點。一種方法是在電池最初運作時在硅上“臨時”形成硬殼，這需要調整液態電解質的成分以允許形成這種智能外殼。或可以在硅上塗抹一層智能塗層從而讓硅跟接觸的液態電解質發生隔離。
隨着這些有發展前景的新途徑的開闢，科學家們現在正在進行解決硅問題的“密集”研究和開發。
Wang說道：“很難預測這將需要多長時間，因為我們需要在硅上找出一個既能滿足離子和電子傳導又有機械彈性的“塗層”。