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一種新的電解液設(shè)計(jì)，可以提高鋰離子電池的性能
時(shí)間:2020-05-14 09:42來(lái)源:科技報(bào)告與資訊 作者:綜合報(bào)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(yáng)極，其容量約為每克350毫安時(shí)(mAh)。硅陽(yáng)極的容量幾乎是石墨陽(yáng)極的10倍(每克約2800毫安時(shí))，因此理論上可以開(kāi)發(fā)出更緊湊、更輕的鋰離子電池。
盡管硅陽(yáng)極具有更高的容量，但迄今為止，硅陽(yáng)極還無(wú)法與石墨陽(yáng)極競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)楣柙陔姵剡\(yùn)行過(guò)程中會(huì)膨脹和收縮，因此在電池工作時(shí)，陽(yáng)極的外層保護(hù)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(guó)馬里蘭大學(xué)和陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種新的電解液設(shè)計(jì)，可以克服現(xiàn)有硅陽(yáng)極的局限性。
覆蓋富含LiF的SEI層的Si顆粒
“硅陽(yáng)極及其形成的固體電解質(zhì)相間層（SEI）保護(hù)層在電池運(yùn)行過(guò)程中更容易被粉碎，因?yàn)镾EI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(jìn)行這項(xiàng)研究的主要研究人員之一Ji Chen說(shuō)。
SEI是一種保護(hù)層，當(dāng)正極顆粒直接接觸電解質(zhì)時(shí)，會(huì)自然形成保護(hù)層。這層保護(hù)層的作用是防止電池內(nèi)部發(fā)生進(jìn)一步的反應(yīng)，將陽(yáng)極與電解液分開(kāi)。
“如果這個(gè)保護(hù)層在Si陽(yáng)極粒子膨脹或收縮過(guò)程中被破壞，新暴露的陽(yáng)極粒子就會(huì)與電解液不斷發(fā)生反應(yīng)，直到電池循環(huán)過(guò)程中電解液耗盡”，陸軍研究實(shí)驗(yàn)室參與研究的高級(jí)化學(xué)家Oleg Borodin說(shuō)。
十多年來(lái)，全世界的研究小組一直在努力克服阻礙硅陽(yáng)極在LIB中使用的問(wèn)題，主要是通過(guò)設(shè)計(jì)柔性和有機(jī)的SEI，使其與陽(yáng)極一起膨脹。然而，事實(shí)證明，他們開(kāi)發(fā)的大多數(shù)解決方案要么完全無(wú)效，要么是輕度有效，因此只能部分防止SEI損壞。
“很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，LIB研究界一直在試圖設(shè)計(jì)出讓Si這樣的高容量陽(yáng)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(shuō)，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(guò)引入昂貴的納米制造工藝，在Si材料層面進(jìn)行研究。我們?cè)噲D通過(guò)設(shè)計(jì)高容量陽(yáng)極的電解液和相應(yīng)的SEI來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但我們嘗試了不同的方法。”
Chen、Borodin、Wang和他們的同事們?cè)O(shè)計(jì)了一種電解液，可以提高微尺寸硅陽(yáng)極在LIB中的性能，防止其外部保護(hù)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(shí)間大大延長(zhǎng)。
研究人員研究的最終目標(biāo)是確定一種通用的、即插即用的解決方案，以促進(jìn)鋰基電池高容量陽(yáng)極的開(kāi)發(fā)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們使用最先進(jìn)的鹽LiPF6和乙醚溶劑的混合物設(shè)計(jì)了電解液，形成了非常堅(jiān)固的富含LiF的SEI保護(hù)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(jìn)了在Si上形成獨(dú)特的富含LiF的SEI，這對(duì)循環(huán)高容量Si陽(yáng)極的電池超級(jí)有益。”Oleg解釋說(shuō)。“我們?cè)O(shè)計(jì)的電解液為目前的LIB技術(shù)提供了一種無(wú)需昂貴的加工工藝就能實(shí)現(xiàn)的即插即用的解決方案，同時(shí)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(yáng)極的LIB中實(shí)現(xiàn)良好的循環(huán)和高效率實(shí)際上是可能的，只需更換電池內(nèi)部的電解液就可以實(shí)現(xiàn)，這在以前被認(rèn)為是不切實(shí)際或完全不可行的。他們的電解液設(shè)計(jì)背后的原理理論上也可以應(yīng)用于所有的高容量合金陽(yáng)極。在未來(lái)，這種設(shè)計(jì)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(yáng)極。
“我們的研究結(jié)果為電解液設(shè)計(jì)指出了一個(gè)新的方向，可以讓全球的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)高容量負(fù)極材料在LIB中的應(yīng)用充滿信心。”Wang說(shuō)。“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(biāo)題為《Electrolyte design for LiF-rich solid–electrolyte interfaces to enable high-performance microsized alloy anodes for batteries》。
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