一项关于硅结构中机械退化机制的研究为试图开发下一代可充电电池的研究人员带来了福音。以硅为基础的阴极，理论上可以储存的锂离子量是传统的石墨电极的十倍，因此对于高性能锂离子电池来说非常具有吸引力。然而，该材料的脆性使得这种纯硅电极很难用于电池阴极。通过使用实验和模拟相结合的技术，乔治亚理工学院的研究人员和其他研究组织宣布开发了一种高耐损伤性的电化学锂硅材料。该研究发表在《自然通讯》杂志上。

“理论上，硅具有非常高的容量，但是由于机械性能的问题，人们在将其应用到下一代电池中非常谨慎。但是我们的研究表明锂化硅并不如我们想象的那么脆。如果我们在允许的操作范围内进行操作，我们也可以设计出非常耐用的硅基电池。”Shuman Xia说。锂离子电池在今天被广泛使用，从可移动装置到台式电脑，甚至电动汽车都可以看到它的身影。

新一代大容量电池可以方便地扩展运输和大规模存储。而目前面临的挑战就是在阳极和阴极中嵌入更多的锂离子。目前的锂离子电池使用的石墨为阴极，但是人们发现硅也是一种不错的选择方案，因为单位硅原子可以储存更多的锂离子。然而，储存这些离子的过程中会使得体积改变2.8倍，使得材料应力会发生改变，从而使得纯硅电极发生断裂，使得材料性能发生退化。一种策略就是使用硅粒子和石墨的复合物，但是这样并不能完全发挥硅的潜力。

为了进一步弄清楚该过程各种材料发生的变化，该研究团队使用分子动力学模拟实验进行了一系列的纳米机械测试。为了促进该项研究，他们使用硅纳米线和包含硅膜的电化学电池，其中硅膜厚度大约为300纳米。研究人员详细研究了硅薄膜中锂离子带来的应力。在压应力下，含锂量越少的硅，越容易发生断裂，但是研究人员发现当锂离子含量达到一定程度以后，它们不会再发生断裂。由于在试验中采用独特的实验设备来评估锂硅纳米机械弯曲部分的影响，Scott Mao教授带领的研究团队通过透射电子显微镜详细研究了纳米线受损机制。这种原位测试表明纳米线的硅核仍然发生了断裂，但是纳米线的外面部分则更加坚韧。“我们的实验非常一致。实验结果表明当锂离子的含量达到一定程度以后，锂硅材料能够承受外部应力的变化。当超过这个程度以后，无论施加多大的外力，都不会使其发生断裂。”

利用这些研究结果，研究人员绘制了硅结构的力学性能随锂含量变化而变化的关系图。通过这一系列的研究，Xia希望这部分研究工作能够对电池工程师有一定帮助，也让大家重新审视硅基电极。“我们的研究工作对于开发高容量的锂基电池具有基础的和直接的影响。当锂的含量超过一定值以后，锂硅则可以承受非常高的应力。这意味着硅基电池也可以具有非常好的韧性。我们的研究工作对于很多的电极材料都具有非常重要的应用，我们相信这样的研究可以激发更多关于电池的新的研究方向。”

新材料在线编译整理——翻译：杨超     校正：摩天轮