一種新的電解液設計，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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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。在最近發表在《Nature Energy》雜志上的一篇論文中，美國馬里蘭大學和陸軍研究實驗室的研究人員提出了一種新的電解液設計，可以克服現有硅陽極的局限性。
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牢固地結合在一起，所以兩者都經歷了大量的變化”，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時，會自然形成保護層。這層保護層的作用是防止電池內部發生進一步的反應，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生反應，直到電池循環過程中電解液耗盡”，陸軍研究實驗室參與研究的高級化學家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，他們開發的大多數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計出讓Si這樣的高容量陽極發揮作用的技術”，馬里蘭大學（UMD）化學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。我們試圖通過設計高容量陽極的電解液和相應的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。為了實現這一目標，他們使用最先進的鹽LiPF6和乙醚溶劑的混合物設計了電解液，形成了非常堅固的富含LiF的SEI保護層。
“特殊的溶劑化結構（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，這對循環高容量Si陽極的電池超級有益。”Oleg解釋說。“我們設計的電解液為目前的LIB技術提供了一種無需昂貴的加工工藝就能實現的即插即用的解決方案，同時保持了前所未有的高循環穩定性。”
Chen、Borodin、Wang和他們的同事最近的研究證明，在含有硅陽極的LIB中實現良好的循環和高效率實際上是可能的，只需更換電池內部的電解液就可以實現，這在以前被認為是不切實際或完全不可行的。他們的電解液設計背后的原理理論上也可以應用于所有的高容量合金陽極。在未來，這種設計可以創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。
“我們的研究結果為電解液設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中的應用充滿信心。”Wang說。“我們下一步將是改善電解質的電壓范圍，并嘗試將該技術授權給電池制造商。”
論文標題為《Electrolyte design for LiF-rich solid–electrolyte interfaces to enable high-performance microsized alloy anodes for batteries》。
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