近日，一項由國際科研團隊開展的開創性研究在鋰離子電池領域取得了重大進展。該團隊成功研發出一種基於高面積容量矽架構的片上負極設計，有效解決了困擾微型電池發展的關鍵問題——矽體積膨脹和固體電解質界面持續生長導致的機械與電化學故障。
隨著物聯網(IoT)技術的飛速發展以及便攜式電子器材和電動汽車對高能量密度電池需求的增長，傳統的石墨陽極材料已接近其效能極限。為了滿足未來物聯網器材以及其他微納電子器材對於更小尺寸、更高安全性和耐用性的電池需求，矽因其卓越的能量密度和理論比容量（高達3579mAhg-1）被視為理想的替代方案。然而，矽在充放電過程中顯著的體積變化一直是阻礙其實作商業化套用的重要瓶頸。
該研究團隊創新性地提出了一種多孔矽上采用快速熱退火的新穎片上陽極結構，這種結構由致密矽層覆蓋在各向同性多孔層頂部組成。實驗結果顯示，在超過200次迴圈後，該結構實作了高達9mAhcm-2的面積容量，並保持庫侖效率接近100%，顯著提高了電化學和機械穩定性。
a) P-Si (RT)、b) P-Si/RTA-800°C、c) P-Si/RTA-1000°C 頂部 SEM 影像，以及 d) P- 的橫截面 SEM 影像Si (RT)（插圖顯示樹狀結構），e) P-Si/RTA-800°C，f) P-Si/RTA-1000°C。它們報告的孔隙率 (%) 透過 X 射線反射法測量。
P-Si(RT)、P-Si/RTA-800°C和P-Si/RTA-1000°C的事後SEM表征。頂檢視和橫截面SEM影像顯示P-Si(RT)、P-Si/RTA-800°C和P-Si/RTA-1000°C在1mAcm電流密度下迴圈50次後的形態變化−2。
P-Si/RTA-1000°C 的電化學和結構特性。a) 面積容量水平的順序。b) 電流密度為1 mA cm -2時不同容量的電壓-容量曲線。c) 每個容量級別的第一個迴圈的微分容量曲線。d) 事後SEM表征和宏觀觀察顯示P-Si/RTA-1000°C陽極在達到20mAh cm -2後的結構完整性。
研究者透過精心設計實驗，運用電化學蝕刻技術和快速熱退火工藝來調控矽基材料的微觀結構，創造出既能緩解體積膨脹壓力又能穩定固體電解質界面的獨特「三明治」結構。這一成果處於實驗室驗證階段，初步展示了其解決矽基負極材料迴圈壽命短、容量衰減嚴重等問題的巨大潛力。
盡管如此，該研究成果仍處在不斷最佳化和完善的過程中，以應對不同套用場景下對電池效能指標的多樣化需求。一旦完全成熟並實作規模化生產，將對微電池行業帶來革命性的影響，使得下一代物聯網器材、可穿戴電子產品以及其他微系統能夠擁有更長的使用壽命和更高的能源效率。
展望未來，這種新穎的矽架構不僅限於微電池領域的套用，還可能被拓展到其他對儲能元件厚度和穩定性要求嚴苛的高新技術產業中。例如，在醫療植入器材、智能傳感器網絡乃至航空航天器的微型化電源解決方案等方面，新型矽負極電池都將大有作為，有力推動社會經濟的創新發展和技術進步。這項科研成果充分體現了科研人員對現有難題的精準把握與技術創新精神，為全球能源儲存技術的進步註入了新的活力。
參考資料
High-areal capacity Si architecture as an on-chip anode for lithium-ion batteries
Sofiane Abdelouhab, Graniel Harne A. Abrenica, Alexandre Heitz, Sylvain Meille, Lionel Roué, Abderraouf Boucherif, Denis Machon
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.103172
