研究人員表示，一種表征硅的結(jié)構(gòu)和化學演化的新方法以及控制電池穩(wěn)定性的薄層可能有助于解決阻止將硅用于高容量電池的問題。

研究的重點是陽極、負電極和電解質(zhì)的界面，這使得電荷能夠在陽極和另一個電極（陰極）之間移動。固體電解質(zhì)中間相(SEI)層通常形成在固體電極和液體電解質(zhì)之間的電極表面上，對于電池中的電化學反應以及控制電池的穩(wěn)定性至關重要。使用硅作為陽極可以實現(xiàn)更好的可充電電池。

在過去的10年里，硅作為可充電電池的高容量負極引起了很多關注，工程科學與力學和生物工程教授張?zhí)K林說，目前商業(yè)化的電池使用石墨作為負極材料，但硅的容量大約是石墨的10倍。因此，有數(shù)千萬、數(shù)億甚至數(shù)億美元用于硅電池研究。

對于希望通過電動汽車和強大的便攜式電子設備為其基礎設施電氣化的社會來說，這是個好消息，但是，也存在挑戰(zhàn)。電池在充放電過程中，硅的體積會膨脹和收縮，從而導致硅材料開裂，SEI會一次次破碎再生。這會導致失去電接觸和容量下降，即電池存儲的電荷量。

準確了解這個過程如何在結(jié)構(gòu)和化學上展開對于解決問題至關重要。

因為這一層的穩(wěn)定性控制著電池的穩(wěn)定性，你不希望它不受控制地增長，因為這一層的產(chǎn)生會消耗電解質(zhì)材料和活性鋰，張說，這可能會導致電解液變干和活性材料的損失，從而對電池性能產(chǎn)生不利影響。

張和他的團隊在《自然納米技術》雜志上發(fā)表的一項重大挑戰(zhàn)是能夠觀察、表征和理解這一過程。

SEI層對電池至關重要，張說，但它非常薄，任何光學顯微鏡都看不到，并且在電池循環(huán)過程中動態(tài)演變。它可以被用于非常納米級、非常薄的材料的透射電子顯微鏡觀察到。但對于SEI，這一層非常柔軟并且很容易被電子束破壞，因為您必須發(fā)送大量電子才能獲得材料成分的高分辨率圖像。

為了克服這個問題，研究人員使用了低溫掃描透射電子顯微鏡（cryo-STEM）。他們在制備和使用低溫STEM顯微鏡成像期間將循環(huán)電極材料保持在低溫下，以最大限度地減少電子束對樣品的損壞。此外，他們集成了用于3D成像的敏感元素斷層掃描，以及旨在以較低電子劑量捕獲圖像的高級算法。這種技術實現(xiàn)了SEI-硅相互作用的3D視圖，在不同次數(shù)的電池循環(huán)后拍攝。

我們方法的獨特之處在于低溫STEM成像和多物理過程建模，張說，我們可以在電池循環(huán)運行后可視化硅和SEI的演變；同時，我們可以使用計算模擬重述循環(huán)期間的整個微觀結(jié)構(gòu)演變過程。這就是這項研究的新穎之處。

該團隊的工作使人們更好地了解導致硅陽極中SEI層生長和不穩(wěn)定的機制。

因此，隨著對SEI層生長機制的了解，這將使我們對如何提高硅負極或電池設計的性能有很多見解，張說，然后我們可以為下一代鋰電池制造更堅固的硅陽極。

他解釋說，下一代鋰電池將為行業(yè)和普通消費者帶來多重好處。

硅是非常豐富的，如果我們可以使用硅作為具有長循環(huán)壽命的陽極，我們將大大提高可充電電池的容量，張說，而且，由于硅資源豐富，這將降低電池的價格。

憑借對硅負極電池在充電和放電過程中SEI層演變的批判性理解，張說下一步將利用這些知識來幫助設計一種不會因循環(huán)而損失容量的硅負極電池。

隨著對潛在機制的了解，下一步是產(chǎn)生一些科學假設，張說，然后我們將用硅陽極測試這個假設，以便我們可以減輕與硅體積變化相關的不利影響。通過控制當前不可控的因素，我們可以設計出性能更好的硅電極。

與張一起，參與這項研究的賓夕法尼亞州立大學的研究人員包括工程科學與力學研究生TianwuChen和DingchuanXue。其他研究人員包括來自太平洋西北國家實驗室的楊賀、徐耀斌、王崇敏、賈海平、冉毅、苗松、李曉林和張繼光；來自ThermoFisherScientific、LinJiang、ArdaGenc、CedricBouchet-Marquis、LeePullan和TedTessner；來自洛斯阿拉莫斯國家實驗室，JinkyoungYoo。

能源部和國家科學基金會資助了這項研究。