• 美研發鋰電池新型電解液 可在硅陽極形成穩定陶瓷保護層

    鋰離子電池已經成為我們日常生活中不可或缺的一部分。然而,我們這個能源緊缺的社會需要更長的壽命、更快的充電速度和更輕的電池,用于從電動汽車到便攜式電子產品的各種應用。


    目前這一代鋰離子電池采用石墨作為陽極,其容量相對較低,有可能被容量較高、環境影響較小的硅陽極替代。這是一個非常有前途的研究方向——但難以捉摸,因為帶有大顆粒硅陽極的電池往往壽命較短,通常不到50次循環。


    但當研究人員嘗試使用硅、鋁和鉍的納米顆粒時,他們發現這些納米合金陽極仍然存在周期短、成本高的問題。然而,現在,來自馬里蘭大學和美國陸軍研究實驗室的一組研究人員可能已經找到了解決這一降解問題的新方法:電解液。


    這些研究人員已經制造出一種電解質,在硅上形成一個保護層;這一層是穩定的,能夠抵抗通常在硅陽極顆粒中出現的膨脹。新的電解液——合理地設計了基本原理——為硅在保護層內膨脹提供了陽極顆粒空間。研究人員在 Nature Energy《自然能源》的一篇論文中報告了他們的工作。


    "我們的研究證明,只要合理設計電解液,就可以穩定地循環硅、鋁和鉍顆粒作為鋰離子電池陽極,這在以前是不可能實現的,馬里蘭大學化學與生物分子工程系的 Ji Chen說,他是這篇論文的主要作者。


    "電池的能量密度由電極決定,而電池的性能則由電解質嚴格控制。設計的電解液能夠使用微型合金陽極,這將顯著提高電池的能量密度,"來自馬里蘭大學、現任中國浙江大學教授的Xiulin Fan說。


    美國陸軍研究實驗室的合作者Oleg Borodin說:"目前通過分子模擬和實驗相結合的努力,為合理設計能夠延長大容量硅陽極循環壽命的電解質開辟了一條新的方向"。


    目前的硅陽極電解液設計的目的是在陽極上形成一個稱為固體電解質界面(SEI)的均勻聚合物層,該層具有柔性,與硅結合牢固。糟糕的是,聚合物SEI和硅陽極之間的強結合迫使SEI在膨脹時經歷與陽極粒子相同的體積變化,從而導致電池運行過程中粒子和SEI同時開裂。


    馬里蘭大學化學與生物分子工程教授Chunsheng Wang說:"經過對硅電極的廣泛研究,電池界已經達成共識,微型硅陽極不能用于商用鋰離子電池。"我們成功地避免了SEI的損傷,形成了一種與鋰化硅顆粒親和力較低的陶瓷SEI,使鋰化硅在體積變化時能夠在界面上重新定位而不損傷SEI。電解液設計原理對所有合金陽極都具有普遍性,為開發高能電池開辟了新的機遇。"


    Wang說,電解液的商業化仍面臨挑戰;例如,4.2V的電壓窗口仍需擴大。


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