马里兰大学通过高性能电解质解决电池老大难问题

2020-04-22 14:25

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，以满足从电动汽车到便携式电子产品的各种应用。

我们能更接近这种更轻、更快充电的电池吗？目前的锂离子电池以石墨为阳极，容量相对较小，可以用硅阳极代替，容量大，对环境影响小。这是一个极有希望的研究方向，但难以捉摸，因为带有大颗粒硅阳极的电池往往寿命更短。当研究人员尝试使用硅、铝和铋的纳米颗粒时，他们发现这些纳米尺寸的合金阳极仍然存在周期短、成本高的问题。马里兰大学化学和生物分子工程学教授王春生（音译）和他的同事们可能已经找到了解决这个降解问题的新方向：电解质。

来自马里兰大学和美国陆军研究实验室的研究小组已经制造出一种能在硅上形成保护层的电解液，该保护层是稳定的，并能抵抗硅阳极颗粒的膨胀。新的电解质——合理的设计和适当的基本原理——为硅的阳极粒子提供了膨胀的空间来观察保护层。研究结果发表在2020年4月20日的《自然能源》杂志上。

图片来源：马里兰大学

论文的主要作者陈季博士，说，“我们的研究证明，稳定循环硅，铝和铋粒子作为锂离子是可行且可行的。电池阳极，简单地采用合理设计的电解质，以前被认为是无法实现的。”

“电池的能量密度是由电极决定的，而电池的性能是由电解质严格控制的。”设计的电解质可以使用微型合金阳极，这将显著提高电池的能量密度，”马里兰大学的范秀林（音译）博士说，他是该研究的第一作者之一，现在是中国浙江大学的教授。

奥莱格博士说：“目前通过分子建模和实验相结合的努力，为合理设计电解液的新方向开辟了一条清晰的道路，从而使高容量硅阳极具有较长的循环寿命。”

目前硅阳极电解液的设计目标是形成一种均匀的聚合物层，称为固体电解质界面，或SEI，它是灵活的，并与硅紧密结合。然而，由于聚合物SEI与硅之间的强键合作用，使得SEI的体积变化与阳极颗粒相同，因此在电池运行过程中，颗粒和SEI都会发生裂纹。

马里兰大学化学和生物分子工程学教授王春生说：“经过对硅电极的广泛研究，电池界已经达成共识，这种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的损害，通过形成一种与锂化硅颗粒亲和力较低的陶瓷SEI，因此锂化硅可以在体积变化过程中重新在界面上移动，而不会损害SEI。”电解液的设计原则适用于所有的合金阳极，这为开发高能电池提供了新的机遇。