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阿贡团队开发出新电解质 提升锂离子电池中硅负极的性能

据外媒报道,美国能源部阿贡国家实验室的研究人员,开发出新型电解质混合物和一种简单的添加剂,可以增加硅负极的表面和整体稳定性,有望应用于下一代锂离子电池

阿贡团队开发新电解质 提升锂离子电池中硅负极的性能

(图源:阿贡官网)

为了生产新一代锂离子电池,数十年来,科学家们一直在寻找新型电极材料和电解质。他们的目标是提高电池的储能能力,使其寿命更长,成本更低,也更安全。有了新一代电池,电动汽车有望进一步普及,并通过更加廉价可靠的储能方式,加速电网向可再生能源扩张。
  对科学家们来说,硅负极已成为取代当前石墨负极的首选材料。从理论上来说,硅具有明显的储能优势,其锂存储量几乎是石墨的10倍。而且,这种物质的成本低,更具商业吸引力。作为地壳中第二大元素,硅元素在计算和通信硬件中应用广泛,已具备一系列加工技术。但是,阿贡化学科学与工程部门(CSE)的高级化学家Jack Vaughey指出,“硅负极的应用,仍然存在一定障碍。在循环过程中,锂离子电池的硅基负极与电解液剧烈反应。长此以住,会导致电池退化,循环寿命缩短。”
  目前,锂离子电池电解液中的溶剂混合物,包括一种溶解的锂盐,以及有机添加剂(通常超过三种,至少一种)。阿贡的科学家们提出新策略,对电解液添加剂进行独特设计,使少量的另外一种盐中,含有一种二价或三价金属阳离子,比如Mg2+、Ca2+、Zn2+或Al3+。这类增强型电解质混合物,统称为“MESA”(mixed-salt electrolytes for silicon anodes,代表用于硅负极的混合盐电解质),可以增加硅负极的表面和整体稳定性,改善长期循环和使用寿命。CSE部门化学技师Baris Key表示:“我们通过带有标准商业化电极的完整电池,对MESA进行全面测试。这种新型化学物质结构简单,具有可伸缩性,与现有电池技术完全兼容。”
  Vaughey补充道,“在这个项目中,阿贡的电池分析、建模和原型(CAMP)设施,让我们获益匪浅,帮助我们解读MESA的物质构成。”
  同时,阿贡研究人员重点观察MESA电解液的工作过程。在充电过程中,电解液中的金属阳离子添加剂,随着锂离子迁移到硅基负极,形成锂金属硅相,比锂硅相更稳定。在新型电池化学反应过程中,硅负极和电解液之间极少产生有害副作用。经过证明,在电池中测试的四种金属盐中,添加Mg2+或Ca2+的电解质盐,在数百次充放电循环中效果最佳。这类电池的能量密度比同类石墨电池高出50%。
  Key表示:“根据测试结果,我们完全有理由相信,这项发明将起到推动作用,使硅负极取代石墨,或者与石墨一起构成负极(浓度略超过石墨几个百分点),并可能产生深远的影响。”

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