可充电锂离子电池无处不在，为智能手机、平板电脑、笔记本电脑以及越来越多的电动汽车提供动力。因此，使这些电池更轻、更小、更便宜、更快充电，而又不牺牲性能，是一个重大的设计挑战。为了解决这个问题，科学家和工程师们正在开发新的电极材料，可以在同样的空间内储存更多的锂。

一个有希望的解决方案是使用合金-电池负极中的材料，也称为阳极。例如，生产“合金型”阳极的一磅硅可以储存相当于10磅石墨的锂，这是目前在商用锂离子电池中使用的“插层式”阳极中发现的。这意味着用前者取代后者可能会使阳极重量增加10倍，而且大大减小。

尽管有这一承诺，合金型阳极还没有被广泛采用.这在一定程度上是因为当锂离子插入阳极内的合金型硅颗粒时，这些粒子开始膨胀并破裂，导致电池在几次充电循环后失效。缩小这些粒子的尺寸，使它们的特性在纳米尺度上--例如纳米多孔硅--可以减轻这种降解，但实际作用的机制还不完全清楚。

现在，在一项发表在ACS能源信函，宾夕法尼亚工程研究人员揭示了合金型阳极充放电时纳米尺度上发生的复杂电化学过程。更好地理解目前阻碍这种有前途的储能材料的降解行为，可以为新的、更有效的电池设计打开大门。

在本研究之前，一般合金型阳极退化的基本模型显示在本图的顶部。当含硅负极的锂离子电池充电时，硅颗粒(淡蓝色)在吸收锂离子时会增长。在这些含锂硅颗粒(深蓝色)周围形成一层SEI，或称固体电解质间期(灰色)，直到电池放电时才会断开。这项研究提供了对退化原因的新见解，如插图的下面部分所示。在充电过程中，硅片被困在SEI中，当SEI在放电过程中与SEI分离时，留下原来的颗粒多孔。随着这一过程的重复，粒子会越来越收缩，直到最终崩溃。

这项研究由物质科学与工程系(MSE)斯蒂芬森学期助理教授埃里克·德西和研究生研究助理约翰·科西和塞缪尔·韦尔伯恩共同进行。他们与MSE教授、物质结构研究实验室(LRSM)主任埃里克·斯塔奇(EricStach)合作。

顾名思义，锂离子电池通过正极(也称为阴极)与阳极材料之间的电化学反应来储存能量。当锂离子在充电过程中物理进入阳极晶格的空间时，它们与该材料结合，并在充电过程中吸收电子；电池放电移除锂，这样锂的过程就可以重复，但在合金型阳极的情况下，也会导致阳极材料长大并最终破裂。

在这些过程中有多个中间步骤；了解它们在致密硅和纳米多孔硅之间的区别可能会给出为什么后者能更好地抵抗退化的一些提示。然而，在如此小的尺度上成像相关硅结构的挑战阻碍了对这些作用过程的密切研究。

“为了应对这一挑战，”德西说，“我们采用了透射电子显微镜和X射线散射技术的独特组合，研究了锂离子电池阳极在充放电过程中的降解情况。”

“我们使用金而不是硅，因为黄金在电子显微镜成像过程中比硅产生更好的对比度，”韦尔伯恩补充说，“它允许清晰地检测在金电极上充放电时形成的固体电解质界面涂层，即SEI。黄金也比硅散射更多的X射线，这使得在这些过程中更容易探测到阳极结构的变化。“

在这项研究中，研究小组使用了辛格纳米技术中心的电子显微镜设备，以及LRSM中的Penn双源和环境X射线散射(DEXS)设备。这两种技术的结果形成了一个丰富的数据集，使研究人员能够更新先前理解的模型，以了解这种退化过程是如何发生的。

这些仪器使研究小组能够确定放电过程中的关键步骤：在多孔金表面形成一层厚厚的SEI层。

“当锂储存在金中时，纳米孔结构中金属金韧带的体积迅速膨胀，最终破裂，”科西说。“这些断裂的韧带碎片被困在周围的SEI层。当这个过程被逆转时，韧带会随着锂的去除而收缩，而这种体积变化会导致含有捕获材料的SEI层开裂，并与电极的其余部分分离。“

当电池再次充电时，表面会长出一个新的SEI层，收集更多的电极碎片。这种损伤会在重复充电循环中累积，最终导致大量的电极碎片脱落，导致电池迅速失效。

研究人员认为，对于纳米孔金的洞察力，对于其他被高度研究的、有前途的合金型阳极材料，如硅和锡，有着广泛的意义。了解这些阳极是如何随着时间的推移而降解的机制，将使研究人员能够设计出持久的、高能量密度的电池材料。