荣国光：从沙子到“充电宝”，纳米多孔硅开启固态电池新纪元

荣国光，九三学社西湖大学支社组织委员。博士，西湖大学工学院研究员，杭州市政协委员。主要从事硅基纳米功能材料、电化学储能（锂/钠电池）及界面调控方向研究，其核心研究的“基于阳极氧化法在单晶硅上制备纳米多孔硅作为固态电池负极”技术，瞄准当前新能源汽车、消费电子的续航与安全痛点，为下一代高能量密度电池提供了低成本、易放大的全新路径。相关成果已在《工程》（Engineering）、《先进材料技术》（Advanced Materials Technologies）等国际顶尖期刊发表数十篇，目前正推进技术中试放大，服务国家“双碳”战略与杭州新能源产业布局。

    大家好！我是九三学社西湖大学支社的荣国光，欢迎收听本期“九三E讲堂”。本期的主题是《从沙子到“充电宝”，纳米多孔硅开启固态电池新纪元》。

作为一名长期在材料科学领域探索的科研工作者，我很荣幸能通过“九三E讲堂”这个平台，和大家聊聊我们身边最熟悉却又最前沿的材料——硅（Silicon），以及它如何重塑未来能源的格局。

一、为什么我们的电池总是不够用？

不知道大家有没有这样的体验：手机用了两年，电量就变得“捉襟见肘”；新能源汽车虽然方便，但长途出行时的“里程焦虑”依然存在。这背后的核心瓶颈，往往在于电池的负极材料。

目前，市面上绝大多数锂电池使用的是石墨负极。石墨非常稳定，但也存在一个天生的短板——它的理论储锂容量相对较低。这就好比一个仓库，空间有限，无论怎么堆砌，能存放的货物总量是有上限的。科学家们一直在寻找下一代高容量负极材料，而硅凭借其极高的理论容量（是石墨的10倍以上），被誉为锂电负极的“圣杯”。

然而，理想很丰满，现实很骨感。硅在充放电过程中，会像海绵吸水一样吸收锂离子，体积发生剧烈膨胀（最高可达300%-400%）。这种反复的“吹气球”效应，会导致电极材料破裂、粉化，甚至与集流体脱离，最终导致电池寿命骤减。此外，传统的液态电解液也存在易燃易漏的安全隐患。

二、点“沙”成金：阳极氧化法的妙用

如何在保留硅的高容量优势的同时，解决它的体积膨胀难题？我的研究团队将目光投向了我们脚下最常见的物质——沙子。沙子的主要成分是二氧化硅，也就是硅的氧化物。我们的目标，就是利用工业级的单晶硅，将其转化为高性能的纳米多孔硅粉末。

这里，我要向大家介绍一种看似古老，实则充满智慧的方法——阳极氧化法（Anodic Oxidation）。

简单来说，阳极氧化就是在特定的电解液中，给硅施加一定的电压，使其在表面发生可控的电化学反应。在我们的研究中，我们利用这一技术，在单晶硅表面原位生长出一层均匀致密的纳米级多孔结构。

这层多孔结构就像是精心设计的“海绵城市”：

1. 缓冲空间：纳米级别的孔洞为硅在充放电过程中的体积膨胀提供了充足的缓冲空间，就像压缩饼干之间的空隙，即使膨胀也不会破坏整体结构。

2. 缩短路径：纳米多孔结构极大地缩短了锂离子在固体内部的传输距离，显著提升了电池的倍率性能（也就是充电速度）。

3. 高稳定性：相比于复杂的气相沉积法，阳极氧化法工艺相对简单，成本更低，且与现有的硅基半导体工艺兼容性好，具备大规模工业化应用的潜力。

通过这种方法制备出的纳米多孔硅粉末，不仅保留了硅的高容量特性，还具备了优异的结构稳定性，成为了固态电池负极材料的理想候选者。

三、固态电池：能源安全的终极答案

解决了负极材料的问题，我们还需要一个更安全的“搭档”——固态电解质。

传统的液态锂电池使用的是有机液态电解液，易燃易爆。而固态电池采用固态电解质，不可燃、无腐蚀、不挥发。将我们的纳米多孔硅负极与固态电解质结合，可以说是“天作之合”。

纳米多孔硅巨大的表比面积能够与固态电解质形成更好的固-固界面接触，降低了界面阻抗；同时，刚性的固态电解质还能从外部物理限制硅的体积膨胀，进一步延长电池循环寿命。

我们正在做的，就是打通从“单晶硅片”到“纳米多孔硅粉末”，再到“高性能固态电池”的全链条技术路径。这不仅是一项实验室里的突破，更是面向国家“双碳”战略和新能源产业需求的重大攻关。

四、展望未来：科技赋能美好生活

目前，我们的研究成果已经在实验室层面验证了可行性，正在积极推进中试放大。未来，这项技术有望应用于多个场景：

· 电动汽车：续航里程突破1000公里将成为常态，充电时间缩短至十分钟级别，彻底告别里程焦虑。

· 消费电子：手机、笔记本电脑将更加轻薄，续航却更加持久。

· 储能电站：为风能、太阳能等清洁能源提供高效、安全的存储方案，助力新型电力系统建设。

从脚下的沙砾，到手中的芯片，再到驱动未来的电池，硅的故事正是人类科技进步的缩影。我们期待，通过不懈的努力，能让这小小的纳米多孔硅，成为推动能源变革的一颗关键棋子。 

感谢收听本期“九三E讲堂”，下期再见！

（音频音效制作：周卫东）