硅纳米粒子可助锂电池一臂之力，电池容量有望增10倍

通常智能手机的电量会在一天之内用罄、电动车续航里程则平均不到 500 公里，目前电池容量着实不高，但加拿大阿尔伯塔大学有望改变这一现状，该团队在锂离子电池阳极添入硅纳米粒子，成功研发出电池容量超过 10 倍的硅-锂电池。

锂离子电池是目前电池储能系统技术龙头，消费型电子产品、电动车或是储能系统都可以看到它们的身影，只不过该电池还是存在许多挑战，象是电解质易燃、容量不高与寿命短等问题，这些都是科学家想逐一突破的课题。

其中硅可说是大幅提升锂电池容量的阳极好帮手，不管是吸收锂离子的效果还是在地壳上的含量，都比现在锂电池采用的石墨阳极还要好，若采用 100% 硅阳极，电池容量理论上可以增加 70%，但事情总是没有想像中那么简单，硅在充电时体积会膨胀 300%，放电时又会缩小恢复正常，只要充电一次硅材料就会不堪负荷碎成粉状，大幅限制硅含量。

因此现在各国科学将都想要克服这项挑战，像是先前挪威能源技术研究所将硅纳米粒子与未命名材料相结合，使硅颗粒能承受较大的体积变化，有望将电容量提升最高 5 倍；美国 Sila Nanotechnologies 公司则采用石墨-硅纳米复合材料，运用多孔支架为硅挪出可膨胀与缩小的空间，解决膨胀问题并让电池容量提高 20%。

显然这些研究都跟纳米技术有关，将硅制成纳米级的晶体、线状或管状或许就可以防止硅材料在充放电时受损。

而此次加拿大阿尔伯塔大学也善加利用纳米技术，并想借此得知目前技术可以把多小的硅材料放入锂电池阳极中，阿尔伯塔大学化学家 Jillian Buriak 指出，团队想观察不同大小的硅纳米粒子在充放电中如何变化。

为了得出答案，团队以 3、5、8 和 15 nm 四种不同直径长度的硅纳米粒子进行实验，将纳米粒子均匀放入高电导石墨烯气凝胶之中，最后发现最小、约三十亿分之一米的纳米粒子拔得头筹，Buriak 对此表示，研究发现，将纳米粒子缩小有助科学家控制硅的膨胀与缩小等应变。

根据团队在《Chemistry of Materials》发表的研究，在电流密度达每克 400mA 下，新电池经过 500 次充放电之后表现仍良好，比容量达每克 1,100mAh，容量也能维持在 90%。

由于研究初步有成，阿尔伯塔大学下一步则计划找出更便宜、更快速的硅纳米粒子制造方法，希望可尽快将该技术整合到现在的锂离子电池制程，或许未来哪一天，电池充电速度与电池重量就能减少 10 倍，电动车续航里程也能增加 10 倍。

Source：科技新报

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