突破性發現：錫泡沫將引領電池技術革命

在當今科技迅速發展的時代，電池技術的進步對我們的生活影響深遠。最近，來自柏林亥姆霍茲中心（HZB）的研究團隊發現，高度多孔的錫泡沫能夠有效緩解鋰離子電池中的機械應力，這使其成為傳統石墨電極的潛在替代品。這一發現不僅為電池技術帶來了新的可能性，也可能徹底改變我們對電池的認知。

傳統的鋰離子電池通常使用多層石墨電極，並搭配氧化鈷對電極。在充放電過程中，鋰離子會遷移到石墨中，且體積變化極小，從而保持結構的完整性。然而，石墨的容量有限，這促使科學家們尋找具有更高能量儲存潛力的替代材料。

金屬基電極，如鋁或錫，具有比傳統石墨電極更高的容量。然而，這些金屬在吸收鋰時會顯著膨脹，這與結構變化和材料疲勞有關。錫因其每公斤的容量幾乎是石墨的三倍而特別吸引人，而且它並非稀有原材料，而是廣泛可用。為了實現金屬電極的快速疲勞，科學家們提出了兩種方案：一種是對薄金屬箔進行奈米結構化，另一種是使用多孔金屬泡沫。

HZB的團隊利用操作X射線成像技術，研究了各種型別的錫電極在放電和充電過程中的變化，並開發了一種創新方法來解決這一問題。部分實驗在BESSY II的BAMline進行。高解析度X射線影象由HZB的成像專家Nikolai Kardjilov博士和André Hilger博士合作拍攝。

「這使我們能夠追蹤所研究的錫金屬基電極在充放電過程中的結構變化，」該研究的第一作者Bouchra Bouabadi博士表示。她與電池專家Sebastian Risse博士一起探討了錫電極在執行過程中由於鋰離子的不均勻吸收而導致的形態變化。

Francisco Garcia-Moreno博士製作了最佳版本的錫電極：一種具有無數微米級孔隙的錫泡沫。「我們能夠證明，這種錫泡沫在體積膨脹期間的機械應力顯著降低，」Risse博士說。這使得錫泡沫成為鋰電池的有趣材料。

Garcia-Moreno博士已經研究了許多金屬泡沫，包括用於汽車工業的部件和用於電池電極的鋁泡沫。「我們在柏林工業大學開發的錫泡沫高度多孔，是傳統電極材料的有前途的替代品，」他說。錫泡沫的結構化對於盡可能減少機械應力至關重要。從經濟角度來看，錫泡沫技術也很有吸引力：「雖然錫泡沫比傳統的錫箔更貴，但它提供了一種比昂貴的奈米結構化更便宜的替代方案，同時能夠儲存更多的鋰離子，從而提高容量。」

參考文獻：Bouchra Bouabadi, André Hilger, Paul H. Kamm, Tillmann R. Neu, Nikolay Kardjilov, Michael Sintschuk, Henning Markötter, Thomas Schedel-Niedrig, Daniel Abou-Ras, Francisco García-Moreno and Sebastian Risse, 17 January 2025, Advanced Science.DOI: 10.1002/advs.202414892