纳米锑晶体的出乎意料的特性-中空结构的自发形成-可以在不降低电池寿命的情况下，为下一代锂离子电池提供更高的能量密度。可逆的中空结构可以使锂离子电池容纳更多的能量，从而在充电之间提供更多的功率。
长期以来，锂离子流入和流出合金电池阳极一直是使用常规材料可容纳多少能量电池的限制因素中国机械网okmao.com。离子流过多会导致阳极材料膨胀，然后在充放电循环中收缩，从而导致机械性能下降，从而缩短电池寿命。为了解决该问题，研究人员先前已经开发出中空的“卵壳”纳米颗粒，以适应离子流引起的体积变化，但是制造它们的过程既复杂又昂贵。
现在，一个研究小组发现，在充放电过程中，比人的头发小一千倍的粒子会自发形成空心结构，而不会改变尺寸，从而允许更多的离子流而不会损坏阳极。该研究于6月1日在“自然纳米技术”杂志上进行了报道。
乔治·W·伍德拉夫机械工程学院的助理教授马修·麦克道威尔说：“有意地对中空纳米材料进行工程设计已经有一段时间了，这对于提高高能量密度电池的使用寿命和稳定性是一种很有前途的方法。”佐治亚理工学院材料科学与工程学院。“
问题在于，直接大规模合成工业应用所需的中空纳米结构具有挑战性和昂贵。我们的发现可以提供一种更简单，流线型的过程，从而可以以类似于有意设计的中空的方式提高性能。结构。”
研究人员使用高分辨率电子显微镜进行了发现，该显微镜使他们可以直接观察纳米级发生的电池反应。麦克道尔说：“这是一个棘手的实验类型，但是如果您耐心并且正确地进行实验，则可以了解有关电池中材料性能的非常重要的事情。”
该团队包括来自苏黎世联邦理工学院（ETHZürich）和橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的研究人员，他们还使用建模创建了一个理论框架，以理解为什么纳米粒子在从电池中取出锂时会自发空心化而不是收缩。
在电池循环期间形成和可逆地填充空心颗粒的能力仅发生在直径小于约30纳米的氧化物涂层锑纳米晶体中。研究小组发现，这种行为是由于弹性天然氧化物层引起的，该氧化物层允许在锂化过程中进行初始膨胀（使离子流进入阳极），但由于锑在去除离子过程中形成空隙，因此在机械上防止了收缩，该过程称为去锂化。
这一发现令人惊讶，因为早期在相关材料上的工作是在较大的颗粒上进行的，这些颗粒会膨胀和收缩而不是形成空心结构。麦克道尔说：“当我们第一次观察到独特的中空行为时，这非常令人兴奋，我们立即知道这可能对电池性能产生重要影响。”
锑是相对昂贵的并且目前不在商业电池电极中使用。但是麦克道尔认为，自发的空心化也可能发生在成本较低的相关材料中，例如锡。下一步将包括测试其他材料，并规划扩大商业规模的途径。
他说：“对其他材料进行测试，看看它们是否按照类似的挖空机制进行转变，将是非常有趣的。” “这可能会扩大可用于电池的材料范围。我们制造的小型测试电池显示出令人满意的充放电性能，因此我们希望评估大型电池中的材料。”
自空心锑纳米晶体虽然可能很昂贵，但它还有另一个有趣的特性：它们还可以用于钠离子和钾离子电池，这是新兴的系统，必须做更多的研究。
麦克道尔说：“这项工作提高了我们对这种材料如何在电池内部演化的理解。” “这些信息对于在下一代锂离子电池中使用该材料或相关材料至关重要，它将能够存储更多的能量，并且与我们今天使用的电池一样耐用。”