对不同锂含量的硅结构的机械降解过程进行了细致的纳米机械研究，结果表明硅基电极可作为可靠的下一代充电电池。

硅基阳极（即负极）理论上存储锂离子的容量是传统石墨电极的十倍以上，因而这种材料在高性能锂离子电池方面足够吸引人。然而，这种材料比较脆，在电池负极不适合使用纯硅，因为在充放电过程中负极必须承受巨大的体积变化。

乔治亚理工学院及其他三个研究机构的研究人员结合实验和模拟技术，报告了电化学锂硅材料具有令人惊讶的高损伤容限。该研究表明如果电池充电水平在其韧性状态下保持足够高的话，全硅负极是有可能实现商业化的。

该研究得到美国国家科学基金的资助，相关成果发表于9月24日出版的《自然·通讯》（Nature Communications）。

“硅具有非常高的理论容量，但鉴于存在的机械问题，人们一直对采用硅作为下一代电池感到沮丧。”乔治亚理工学院George W. Woodruff机械工程学院助理教授Shuman Xia表示，“但我们的研究表明，锂硅材料并不是我们想象的那么脆弱。如果我们仔细研究操作窗口和放电深度，我们有可能设计出非常耐用的硅基电池。”

当前锂离子电池的应用广泛，从手持式移动设备到笔记本电脑以及电动汽车。新一代大容量电池可以方便可再生能源发电的运输，以及大规模的存储。

面临的挑战是如何让更多的锂离子进入电池的阳极和阴极。当今的锂离子电池通常采用石墨负极，但每个硅原子能够存储更多的锂离子，普遍认为硅石石墨的替代品。然而，储存这些离子会导致体积变化高达280%，纯硅制得的负极会因体积变化造成的应力而破碎，从而导致性能显著下降。解决这一问题的一个策略是采用硅颗粒和石墨复合材料，但这并没有实现硅提高电池容量的潜力。

为了了解这种材料，研究团队进行了一系列系统化的纳米机械测试，并结合分子动力学模拟进行研究。他们采用了硅纳米线和含约300纳米厚的硅薄膜电化学电池。

研究人员研究了硅薄膜材料锂化所产生的灵力，并用纳米压痕仪（微型尖端对薄膜表面施加压力）来研究这些含有不同数量锂离子的薄膜的裂纹扩展。研究人员惊奇的发现，贫锂的硅在压痕应力下破裂，而当锂含量达到一定程度以后，薄膜样品不再发生破裂现象。

匹兹堡大学（University of Pittsburgh）Scott Mao教授领衔的研究团队采用独特的实验设备来评估锂化硅纳米胎痕的机械弯曲，采用透射电子显微镜（TEM）实时研究纳米线的损伤机制。原位的测试结果表明纳米线的硅芯仍然是脆的，而随着锂的吸收，纳米线的外部越来越具韧性。

“纳米压痕和TEM实验的结果很一致。两者都表明了当锂浓度达到一定程度（锂硅原子比约1.5）以后，锂化的硅材料具有很高的损伤容限。在这种情况下，在非常大的压痕载荷下不会破裂。”Xia如是说。

乔治亚理工学院Woodruff机械工程学院教授Ting Zhu进行了细致的分子动力学模拟，对电化学锂化硅的机制进行研究。他发现，随着越来越多的锂进入硅结构，可延展的锂-锂键和锂-硅键克服了硅-硅键的脆性，从而使最终获得的锂-硅合金具有更加理想的断裂强度。

“在富锂合金的模拟中，锂-锂键起主要作用。锂-锂键和锂-硅键的高延展性有效的抑制了损伤的形成以及破裂的扩散。模拟结果给出了这种合金从脆性态过渡到韧性态的根源。”Zhu如是说。

利用这些研究成果，研究人员绘制出了硅结构力学性能随锂含量的变化规律。通过对硅材料保持韧性条件下的研究，Xia希望这一研究能使电池工程师对全硅电极产生新的看法。

他说，“无论是从实践的角度来看还是基本观点的角度来看，我们的研究都对高容量锂电池的发展有着根本性的和直接的影响。锂硅材料在锂浓度达到阈值以上后表现出很高的损伤容限。这表明如果我们仔细控制电池的放电深度，硅基电池也可以有很长的寿命。”

今后的研究当中，Xia和Zhu希望对锗（高速充电锂离子电池的另一种潜在负极材料）的机械性能进行研究。他们也将关注全固态电池，即在两电极之间无需液态电解质来传导离子。“我们希望找到一种兼具高锂离子导电性和良好机械强度的固态电解质，来取代目前通常使用的液态电解质。”Zhu如是说。

Xia指出，“我们开发的这一研究框架适用于一系列非常广泛的电极材料。我们相信这项研究将刺激电池研究的一系列新方向。”

该研究获得美国国家科学基金（CMMI-1300458, CMMI-1100205 and NSF-DMR-1410936）的支持。有关内容由作者全权负责，不代表国家科学基金的官方意见。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜    校正：摩天轮