?。▓D片來源：Georgia Tech官網(wǎng)）

　　長(zhǎng)期以來，對(duì)于使用傳統(tǒng)材料的電池來說，鋰離子如何擴(kuò)散進(jìn)出合金負(fù)極，一直是限制電池能承載多少能量的一個(gè)因素。過多的離子流會(huì)導(dǎo)致負(fù)極材料膨脹，并在充放電循環(huán)中收縮，引起機(jī)械退化，縮短電池壽命。為了解決這個(gè)問題，研究人員曾經(jīng)開發(fā)出空心的“蛋黃殼”納米顆粒負(fù)極材料，可以適應(yīng)由離子流引起的體積變化，但是，這種材料的制造過程非常復(fù)雜且昂貴。

　　據(jù)外媒報(bào)道，最近，佐治亞理工學(xué)院（Georgia Tech），以及蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zürich）和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory）的研究人員發(fā)現(xiàn)，足夠小的銻納米晶體，在鋰遷移時(shí)可以自發(fā)形成均勻的空隙，并在循環(huán)過程中可逆化填充和空出，允許更多的離子流過，而且不損害負(fù)極。

　　研究人員Matthew McDowell表示：“人們對(duì)空心納米材料進(jìn)行研究已經(jīng)有一段時(shí)間了。這種材料可以提升高能量密度電池的壽命和穩(wěn)定性，被視為一種很有前途的選項(xiàng)。目前的問題是，直接大規(guī)模合成這種中空納米結(jié)構(gòu)材料并進(jìn)行商業(yè)化，具有挑戰(zhàn)性，而且成本較高。我們的發(fā)現(xiàn)可以提供更加簡(jiǎn)單易行的過程，并在一定程度上提高材料性能，接近專門設(shè)計(jì)的空心結(jié)構(gòu)?！?/p>

　　研究人員使用高分辨率電子顯微鏡，直接觀察電池在納米尺度上的反應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)還利用模型建立了一個(gè)理論框架，探討在電池的鋰遷移過程中，納米顆粒為什么會(huì)自發(fā)地形成空隙，而不產(chǎn)生收縮。

　　在電池循環(huán)過程中形成可逆化填充空心粒子的能力，只出現(xiàn)在直徑小于30納米的鍍氧化物銻納米晶體中。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這種行為源于一種具有彈性的天然氧化層。在鋰離子流入負(fù)極的鋰化過程時(shí)，該氧化層會(huì)發(fā)生初始膨脹，但是不會(huì)出現(xiàn)機(jī)械性收縮，因?yàn)樵陔x子移出過程中，銻會(huì)形成空洞，這一過程被稱為脫鋰。這一發(fā)現(xiàn)頗令人驚奇，因?yàn)樵缙诘南嚓P(guān)材料研究集中于較大的粒子。這些粒子會(huì)發(fā)生膨脹和收縮，而不是形成中空結(jié)構(gòu)。

　　由于銻相對(duì)昂貴，目前還未應(yīng)用于商用電池電極。但是，McDowell相信，一些成本較低的材料，也可以發(fā)生自發(fā)的空心化現(xiàn)象，比如錫。接下來，研究人員將對(duì)其它材料進(jìn)行測(cè)試，并探尋商業(yè)化推廣路徑。Matthew McDowell稱：“測(cè)試其他材料，看看它們是否會(huì)發(fā)生類似的中空機(jī)制，有助于擴(kuò)大可用于電池的材料范圍。我們制作的小型測(cè)試電池具有良好的充放電性能，所以，我們打算在更大的電池中進(jìn)一步評(píng)估相關(guān)材料。”

　　雖然成本較高，但是自中空銻納米晶體（self-hollowing antimony nanocrystals）還可以應(yīng)用于鈉離子和鉀離子電池。這兩種新興電池體系有待進(jìn)一步研究。