為了生產(chǎn)新一代鋰離子電池，數(shù)十年來，科學家們一直在尋找新型電極材料和電解質(zhì)。他們的目標是提高電池的儲能能力，使其壽命更長，成本更低，也更安全。有了新一代電池，電動汽車有望進一步普及，并通過更加廉價可靠的儲能方式，加速電網(wǎng)向可再生能源擴張。
對科學家們來說，硅負極已成為取代當前石墨負極的首選材料。從理論上來說，硅具有明顯的儲能優(yōu)勢，其鋰存儲量幾乎是石墨的10倍。而且，這種物質(zhì)的成本低，更具商業(yè)吸引力。作為地殼中第二大元素，硅元素在計算和通信硬件中應(yīng)用廣泛，已具備一系列加工技術(shù)。但是，阿貢化學科學與工程部門(CSE)的高級化學家JackVaughey指出，“硅負極的應(yīng)用，仍然存在一定障礙。在循環(huán)過程中，鋰離子電池的硅基負極與電解液劇烈反應(yīng)。長此以住，會導(dǎo)致電池退化，循環(huán)壽命縮短。”
目前，鋰離子電池電解液中的溶劑混合物，包括一種溶解的鋰鹽，以及有機添加劑(通常超過三種，至少一種)。阿貢的科學家們提出新策略，對電解液添加劑進行獨特設(shè)計，使少量的另外一種鹽中，含有一種二價或三價金屬陽離子，比如Mg2+、Ca2+、Zn2+或Al3+。這類增強型電解質(zhì)混合物，統(tǒng)稱為“MESA”(mixed-saltelectrolytesforsiliconanodes，代表用于硅負極的混合鹽電解質(zhì))，可以增加硅負極的表面和整體穩(wěn)定性，改善長期循環(huán)和使用壽命。CSE部門化學技師BarisKey表示：“我們通過帶有標準商業(yè)化電極的完整電池，對MESA進行全面測試。這種新型化學物質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單，具有可伸縮性，與現(xiàn)有電池技術(shù)完全兼容。”
Vaughey補充道，“在這個項目中，阿貢的電池分析、建模和原型(CAMP)設(shè)施，讓我們獲益匪淺，幫助我們解讀MESA的物質(zhì)構(gòu)成。”
同時，阿貢研究人員重點觀察MESA電解液的工作過程。在充電過程中，電解液中的金屬陽離子添加劑，隨著鋰離子遷移到硅基負極，形成鋰金屬硅相，比鋰硅相更穩(wěn)定。在新型電池化學反應(yīng)過程中，硅負極和電解液之間極少產(chǎn)生有害副作用。經(jīng)過證明，在電池中測試的四種金屬鹽中，添加Mg2+或Ca2+的電解質(zhì)鹽，在數(shù)百次充放電循環(huán)中效果最佳。這類電池的能量密度比同類石墨電池高出50%。
Key表示：“根據(jù)測試結(jié)果，我們完全有理由相信，這項發(fā)明將起到推動作用，使硅負極取代石墨，或者與石墨一起構(gòu)成負極(濃度略超過石墨幾個百分點)，并可能產(chǎn)生深遠的影響。”