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一種新的電解液設(shè)計，可以提高鋰離子電池的性能

時間:2020-05-14 09:42來源:科技報告與資訊 作者:綜合報道
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       現(xiàn)有的大多數(shù)鋰離子電池(LIBs)集成了石墨陽極，其容量約為每克350毫安時(mAh)。硅陽極的容量幾乎是石墨陽極的10倍(每克約2800毫安時)，因此理論上可以開發(fā)出更緊湊、更輕的鋰離子電池。
 
       盡管硅陽極具有更高的容量，但迄今為止，硅陽極還無法與石墨陽極競爭，因為硅在電池運行過程中會膨脹和收縮，因此在電池工作時，陽極的外層保護層很容易破裂。在最近發(fā)表在《Nature Energy》雜志上的一篇論文中，美國馬里蘭大學(xué)和陸軍研究實驗室的研究人員提出了一種新的電解液設(shè)計，可以克服現(xiàn)有硅陽極的局限性。
覆蓋富含LiF的SEI層的Si顆粒
 
       “硅陽極及其形成的固體電解質(zhì)相間層（SEI）保護層在電池運行過程中更容易被粉碎，因為SEI與Si牢固地結(jié)合在一起，所以兩者都經(jīng)歷了大量的變化”，進行這項研究的主要研究人員之一Ji Chen說。
 
       SEI是一種保護層，當正極顆粒直接接觸電解質(zhì)時，會自然形成保護層。這層保護層的作用是防止電池內(nèi)部發(fā)生進一步的反應(yīng)，將陽極與電解液分開。
 
       “如果這個保護層在Si陽極粒子膨脹或收縮過程中被破壞，新暴露的陽極粒子就會與電解液不斷發(fā)生反應(yīng)，直到電池循環(huán)過程中電解液耗盡”，陸軍研究實驗室參與研究的高級化學(xué)家Oleg Borodin說。
 
       十多年來，全世界的研究小組一直在努力克服阻礙硅陽極在LIB中使用的問題，主要是通過設(shè)計柔性和有機的SEI，使其與陽極一起膨脹。然而，事實證明，他們開發(fā)的大多數(shù)解決方案要么完全無效，要么是輕度有效，因此只能部分防止SEI損壞。
       “很長一段時間以來，LIB研究界一直在試圖設(shè)計出讓Si這樣的高容量陽極發(fā)揮作用的技術(shù)”，馬里蘭大學(xué)（UMD）化學(xué)與生物分子工程系教授Chunsheng Wang說，他也是UMD極限電池研究中心主任。“這些研究人員大多是通過引入昂貴的納米制造工藝，在Si材料層面進行研究。我們試圖通過設(shè)計高容量陽極的電解液和相應(yīng)的SEI來解決這個問題，但我們嘗試了不同的方法。”
 
       Chen、Borodin、Wang和他們的同事們設(shè)計了一種電解液，可以提高微尺寸硅陽極在LIB中的性能，防止其外部保護層受損。與之前提出的解決方案相比，他們的方法大大減少了電解液的降解，從而使電池在失去容量之前的循環(huán)時間大大延長。
 
       研究人員研究的最終目標是確定一種通用的、即插即用的解決方案，以促進鋰基電池高容量陽極的開發(fā)。為了實現(xiàn)這一目標，他們使用最先進的鹽LiPF6和乙醚溶劑的混合物設(shè)計了電解液，形成了非常堅固的富含LiF的SEI保護層。
 
       “特殊的溶劑化結(jié)構(gòu)（鹽和溶劑之間的相互作用）以及鹽和溶劑之間的還原傾向之間的巨大差距促進了在Si上形成獨特的富含LiF的SEI，這對循環(huán)高容量Si陽極的電池超級有益。”Oleg解釋說。“我們設(shè)計的電解液為目前的LIB技術(shù)提供了一種無需昂貴的加工工藝就能實現(xiàn)的即插即用的解決方案，同時保持了前所未有的高循環(huán)穩(wěn)定性。”
 
       Chen、Borodin、Wang和他們的同事最近的研究證明，在含有硅陽極的LIB中實現(xiàn)良好的循環(huán)和高效率實際上是可能的，只需更換電池內(nèi)部的電解液就可以實現(xiàn)，這在以前被認為是不切實際或完全不可行的。他們的電解液設(shè)計背后的原理理論上也可以應(yīng)用于所有的高容量合金陽極。在未來，這種設(shè)計可以創(chuàng)造出性能更好的鋰基電池，其中含有石墨以外的其他材料的陽極。
 
       “我們的研究結(jié)果為電解液設(shè)計指出了一個新的方向，可以讓全球的研究團隊對高容量負極材料在LIB中的應(yīng)用充滿信心。”Wang說。“我們下一步將是改善電解質(zhì)的電壓范圍，并嘗試將該技術(shù)授權(quán)給電池制造商。”
 
    論文標題為《Electrolyte design for LiF-rich solid–electrolyte interfaces to enable high-performance microsized alloy anodes for batteries》。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
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