美研发锂电池新型电解液 可在硅阳极形成稳定陶瓷保护层

锂离子电池已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分。然而,我们这个能源紧缺的社会需要更长的寿命、更快的充电速度和更轻的电池,用于从电动汽车到便携式电子产品的各种应用。


目前这一代锂离子电池采用石墨作为阳极,其容量相对较低,有可能被容量较高、环境影响较小的硅阳极替代。这是一个非常有前途的研究方向——但难以捉摸,因为带有大颗粒硅阳极的电池往往寿命较短,通常不到50次循环。


但当研究人员尝试使用硅、铝和铋的纳米颗粒时,他们发现这些纳米合金阳极仍然存在周期短、成本高的问题。然而,现在,来自马里兰大学和美国陆军研究实验室的一组研究人员可能已经找到了解决这一降解问题的新方法:电解液。


这些研究人员已经制造出一种电解质,在硅上形成一个保护层;这一层是稳定的,能够抵抗通常在硅阳极颗粒中出现的膨胀。新的电解液——合理地设计了基本原理——为硅在保护层内膨胀提供了阳极颗粒空间。研究人员在 Nature Energy《自然能源》的一篇论文中报告了他们的工作。


"我们的研究证明,只要合理设计电解液,就可以稳定地循环硅、铝和铋颗粒作为锂离子电池阳极,这在以前是不可能实现的,马里兰大学化学与生物分子工程系的 Ji Chen说,他是这篇论文的主要作者。


"电池的能量密度由电极决定,而电池的性能则由电解质严格控制。设计的电解液能够使用微型合金阳极,这将显著提高电池的能量密度,"来自马里兰大学、现任中国浙江大学教授的Xiulin Fan说。


美国陆军研究实验室的合作者Oleg Borodin说:"目前通过分子模拟和实验相结合的努力,为合理设计能够延长大容量硅阳极循环寿命的电解质开辟了一条新的方向"。


目前的硅阳极电解液设计的目的是在阳极上形成一个称为固体电解质界面(SEI)的均匀聚合物层,该层具有柔性,与硅结合牢固。糟糕的是,聚合物SEI和硅阳极之间的强结合迫使SEI在膨胀时经历与阳极粒子相同的体积变化,从而导致电池运行过程中粒子和SEI同时开裂。


马里兰大学化学与生物分子工程教授Chunsheng Wang说:"经过对硅电极的广泛研究,电池界已经达成共识,微型硅阳极不能用于商用锂离子电池。"我们成功地避免了SEI的损伤,形成了一种与锂化硅颗粒亲和力较低的陶瓷SEI,使锂化硅在体积变化时能够在界面上重新定位而不损伤SEI。电解液设计原理对所有合金阳极都具有普遍性,为开发高能电池开辟了新的机遇。"


Wang说,电解液的商业化仍面临挑战;例如,4.2V的电压窗口仍需扩大。


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