锡泡沫电池电极内部演变：X射线成像的新发现
科学家们发现，将锡转化为高孔隙率的泡沫结构或许能解决下一代电池面临的最大挑战之一。这一创新方法，来自柏林亥姆霍兹中心（HZB）的最新研究，可能为能量存储开辟新路，让相同体积容纳更多电量——想象一下，智能手机或电动车电池续航更持久。
超越石墨：金属电极的潜力
几十年来，锂离子电池依赖石墨电极在充放电时传递锂离子。石墨虽稳定，但其理论容量仅为372 mAh g⁻¹，促使研究者寻找更高能量密度的替代品。锡以993 mAh g⁻¹的理论容量——几乎是石墨的三倍——脱颖而出。“锡资源丰富、无毒，且能储存更多锂离子，”HZB的共同作者塞巴斯蒂安·里瑟博士（Dr. Sebastian Risse）说。这项研究已发表在《先进科学》上。然而，问题在于：锂离子进入时，锡体积膨胀高达260%，导致龟裂和性能衰退。
观察电池“呼吸”
为解开这个谜团，HZB团队在BESSY II的BAMline设施使用了最先进的实时X射线成像技术——这台同步加速器能发射高能X射线。“我们在循环中实时观察锡电极，”首席作者布赫拉·布阿巴迪博士（Dr. Bouchra Bouabadi）说，“就像看到材料在呼吸——膨胀、收缩、断裂。”他们的超高分辨率射线照相技术（像素精度达0.83 μm）显示，锂在固态锡箔中形成了“岛屿”、“边缘”和“底部”区域。随着锂嵌入，“岛屿”出现裂缝和空隙，而“底部”相对稳定，暗示不均匀应力是失效元凶。
泡沫解法
弗朗西斯科·加西亚-莫雷诺博士（Dr. Francisco Garcia-Moreno）的创意——锡泡沫——带来了突破。这种海绵状结构，54%的孔隙率来自微米级气孔，能缓冲膨胀压力。“气孔给锂离子提供了空间，大幅减轻机械应力，”这位金属泡沫专家解释道。他们通过粉末冶金法制造：将锡粉（< 44 μm，99.8%纯度）与碳酸氢铵（200-320 μm）按50:50体积比混合，在300 MPa下压制成20毫米直径片，然后在真空下分两阶段烧结（140°C和180°C，各2小时）。碳酸盐分解后留下多孔锡骨架。
锡泡沫在BESSY II的首次亮相（HZB新闻室2025年2月24日公布）展现了其潜力。与固态箔不同，它弯而不碎，这得益于其22 μm的微小晶粒——远小于100 μm固态箔的260 μm晶粒。更多晶界通过滑动缓解了应力，这一发现也在《先进科学》中详述。
“呼吸”行为与效率
泡沫电极在循环中呈现迷人的“呼吸”行为——锂以分步方式填充孔隙，而非平滑推进，揭示了多孔结构的动态。效率也令人振奋：固态箔首循环库仑效率仅33%，而泡沫电极首循环达48.25%，后续升至75.5%。“它不仅撑住了，还更好地逆转了锂损耗，”里瑟指出。固态锡很快崩溃，泡沫却坚持到底。
前路展望
挑战仍在：泡沫壁过厚会开裂，表面固体电解质界面（SEI）层也不稳。“我们计划优化壁厚和开发更强的SEI配方，”布阿巴迪说。成本上，锡泡沫虽比普通箔贵，却远低于复杂的纳米结构电极，同时效果相当。
这一HZB突破，结合同步加速器技术和巧妙设计，或将推动电池技术向前迈进。锡泡沫解决了膨胀难题，让下一代储能——容量是现今电池三倍——离电动车和电子产品更近。随着能源需求激增，这样的创新或许正是世界的动力源泉。