美国研发可形成保护层的电解质 可实现高容量硅阳极离子电池

文章来源:盖世汽车 发布时间:2020-05-27
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美国马里兰大学和陆军研究实验室的研究小组打造了一种能够在硅上形成保护层的电解质。

锂离子电池已经成为日常生活中不可或缺的一部分。不过,在这个能源紧缺的社会,仍需要寿命更长、充电速度更快以及重量更轻的电池,以满足电动汽车、便携式电子产品等各种应用的需求,甚至,还包括满足军队减轻士兵负重的要求,因为军队也会采用大量的电子产品。

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(图片来源:马里兰大学)

目前的锂离子电池都采用石墨作为阳极,容量相对较小,可以采用容量更大、对环境影响更小的硅阳极取代。虽然此研究方向很有前景,但是含有粒度较大硅阳极的电池往往寿命更短,一般充放电循环不到50次。当研究人员尝试采用硅、铝和铋等纳米颗粒时,发现此类纳米大小的合金阳极仍存在循环寿命短、成本高的问题。

据外媒报道,为此,美国马里兰大学(the University of Maryland)和陆军研究实验室(the Army Research Laboratory)的研究小组打造了一种能够在硅上形成保护层的电解质。该保护层非常稳定,能够承受硅阳极颗粒的膨胀。新型电解质设计合理,且应用了适当的基本原理,为硅阳极粒子在保护层内提供了膨胀的空间。

马里兰大学化学与生物分子工程系Ji Chen博士表示:“我们的研究证明,是有可能将硅、铝和铋颗粒作为锂离子电池的阳极、并稳定它们的循环寿命的,只是需要合理设计电解质。”

马里兰大学Xiulin Fan博士现为中国浙江大学教授,他表示:“电池的能量密度是由电极决定的,而电池的性能则受电解质严格控制。我们设计的电解质可以采用微型合金阳极,将显著提高电池的能量密度。”

目前硅阳极电解质的设计目标是形成一种均匀的聚合物层,即固体电解质界面SEI,而且该SEI非常灵活,可与硅紧密结合。不过,由于聚合物SEI与硅之间有强键合作用,使得SEI的体积变化与阳极颗粒的体积变化相同,因此,在电池运行过程中,阳极颗粒与SEI都会出现裂纹。

马里兰大学化学与生物分子工程系教授Chunsheng Wang表示:“经过对硅电极进行的广泛研究,电池界已经达成共识,此种微型硅阳极不可用于商用锂离子电池。但是,我们通过制造出一种与锂化硅粘附性较差的陶瓷SEI,成功避免SEI发生损坏,而且该锂化硅能够在体积变化的过程中,在界面上重新移动,不会损坏SEI。此种电解质设计原理适用于所有合金阳极设计,为研发高能量电池提供了新机遇。”

不过,研究人员表示,仍存在将该电解质实现商业化的挑战,因为该电池的电压局限为4.2V,仍需改进。


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