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没有失败的材料,只有失败的想法:硅负极的体积膨胀问题被转化了一篇Nature

我们知道硅作为锂离子电池负极时,体积膨胀最高可达300%。当我们都在为解决这一问题而伤脑时,美国加州理工学院Julia R. Greer等人却利用硅的这种特性构建了一种“架构”材料。基于电化学反应,通过控制材料的外加电流和子结构的几何形状,可以调节材料的形状转换的波动性。

    许多关于架构材料的研究都试图向“智能”材料靠近,期望通过响应温度,湿度或磁场等刺激来改变其自身形状,来获得一定的功能性。先前报道的用于屈曲产生引起形状变化的方法涉及有限数量的形状配置(通常为两个),并且不能切换材料的形状变换波动性。也就是说,必须保持外部刺激来保持新的形状,当移除外部刺激时,架构材料难以恢复其原始形状,也就意味着功能失效。

    为此,作者使用了一种新的方法来诱导形状变换以克服这个问题。他们首先使用3D打印机用聚合物制造笼状3D晶格(图1a),然后依次用镍层和硅层涂覆晶格。硅被用作锂离子电池中的负极材料,完全嵌锂后,硅体积膨胀约为300%。作者使用这种电化学变化作为外部刺激来触发其架构材料中的屈曲。

    作者观察到硅涂层晶格在放电时经历着形状变换,形状可通过充电过程再恢复。与基于软材料的架构材料不同,这种形状变化可以通过电化学反应实现连续调制。并且,当停止放电或充电时,形状可保持在当前状态,即形状变换是非易失性的。

    该研究还展示了一种释放锂离子电池硅负极中应力的方法,这是下一代硅锂开发中的关键挑战之一,感兴趣的朋友可阅读原文。

没有失败的材料,只有失败的想法:硅负极的体积膨胀问题被转化了一篇Nature图1 | 通过电化学反应对材料进行结构重构。

Xiaoxing Xia, Arman Afshar, Heng Yang, Carlos M. Portela, Dennis M. Kochmann, Claudio V. Di Leo & Julia R. Greer, Electrochemically reconfigurable architected materials, Nature, DOI: 10.1038/s41586-019-1538-z

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参考文献:Nature

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