在碳纖維上生長的硅納米線的SEM照片。(a)為平面照片，(b)為截面照片，(c)為（b）的放大圖。(d)為基于硅納米線電極的鋰離子電池及核磁共振檢測器的實驗概念圖

英國劍橋大學（University of Cambridge）2月3日宣布，該大學的先進光電子中心緒方健（JSPS研究員）和該大學化學系教授Clare Grey開發(fā)出了可對使用硅負極的新一代鋰離子充電電池的內(nèi)部反應進行實驗性分析的技術，并據(jù)此查明了鋰離子電池的反應機理。

此次的成果有望加快開發(fā)出容量達到原來數(shù)倍的鋰離子充電電池的進程。有關詳細內(nèi)容已刊登在英國科學雜志發(fā)行商自然出版集團（Nature Publishing Group）的《自然通訊》（Nature Communications）上，文章題為“Revealing lithium-silicide phase transformations in nano-structured silicon-based lithium ion batteries via in situ NMR spectroscopy”。

此次開發(fā)的新型檢測系統(tǒng)，能在負極使用可緩和體積膨脹的硅納米線的狀態(tài)下，使用核磁共振技術（NMR）對原子排列進行分析。經(jīng)過數(shù)次充放電循環(huán)后，判明了在電池工作過程中原子結合的詳細變化過程。實驗所使用的電池單元，負極采用硅納米線與碳纖維的復合體，正極采用鋰片材（鋰金屬箔），并對聚酯背板做了層壓處理。電解質(zhì)采用將1M LiPF6溶解于碳酸亞乙酯（EC)和碳酸二甲酯（DMC）中獲得的溶液。硅納米線的直徑約60nm，長度約50nm。

據(jù)緒方健介紹，“用此次的技術可非常簡單地分析導致硅負極劣化的原子結合狀態(tài)。這樣便可為避免劣化的材料設計及安全性控制開辟新路”。

硅作為可實現(xiàn)高容量化的負極材料備受關注，但硅原子最多只能與4個鋰原子合金化，因此在充放電中體積會以最大300％的比例反復膨脹和收縮，電池難以保持耐久性。另外，這樣形成的硅合金大多呈原子無序排列狀態(tài)，用以往的分析方法很難獲得詳細的原子級別的信息。