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馬里蘭大學(xué)通過高性能電解質(zhì)解決電池老大難問題

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1138次  |  2020年05月07日  

鋰離子電池已經(jīng)成為我們?nèi)粘I钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。然而,我們這個(gè)能源緊缺的社會要更長的壽命、更快的充電速度和更輕的電池,以滿足從電動汽車到便攜式電子產(chǎn)品的各種應(yīng)用。


我們能更接近這種更輕、更快充電的電池嗎?目前的鋰離子電池以石墨為陽極,容量相對較小,可以用硅陽極代替,容量大,對環(huán)境影響小。這是一個(gè)極有希望的研究方向,但難以捉摸,因?yàn)閹в写箢w粒硅陽極的電池往往壽命更短。當(dāng)研究人員嘗試使用硅、鋁和鉍的納米顆粒時(shí),他們發(fā)現(xiàn)這些納米尺寸的合金陽極仍然存在周期短、成本高的問題。馬里蘭大學(xué)化學(xué)和生物分子工程學(xué)教授王春生(音譯)和他的同事們可能已經(jīng)找到了解決這個(gè)降解問題的新方向:電解質(zhì)。


來自馬里蘭大學(xué)和美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究小組已經(jīng)制造出一種能在硅上形成保護(hù)層的電解液,該保護(hù)層是穩(wěn)定的,并能抵抗硅陽極顆粒的膨脹。新的電解質(zhì)——合理的設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)幕驹怼獮楣璧年枠O粒子供應(yīng)了膨脹的空間來觀察保護(hù)層。研究結(jié)果發(fā)表在2020年四月二十日的《自然能源》雜志上。


圖片來源:馬里蘭大學(xué)


論文的重要作者陳季博士,說,“我們的研究證明,穩(wěn)定循環(huán)硅,鋁和鉍粒子作為鋰離子是可行且可行的。電池陽極,簡單地采用合理設(shè)計(jì)的電解質(zhì),以前被認(rèn)為是無法實(shí)現(xiàn)的。”


“電池的能量密度是由電極決定的,而電池的性能是由電解質(zhì)嚴(yán)格控制的?!痹O(shè)計(jì)的電解質(zhì)可以使用微型合金陽極,這將顯著提高電池的能量密度,”馬里蘭大學(xué)的范秀林(音譯)博士說,他是該研究的第一作者之一,現(xiàn)在是我國浙江大學(xué)的教授。


奧萊格博士說:“目前通過分子建模和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的努力,為合理設(shè)計(jì)電解液的新方向開辟了一條清晰的道路,從而使高容量硅陽極具有較長的循環(huán)壽命。”


目前硅陽極電解液的設(shè)計(jì)目標(biāo)是形成一種均勻的聚合物層,稱為固體電解質(zhì)界面,或SEI,它是靈活的,并與硅緊密結(jié)合。然而,由于聚合物SEI與硅之間的強(qiáng)鍵合用途,使得SEI的體積變化與陽極顆粒相同,因此在電池運(yùn)行過程中,顆粒和SEI都會發(fā)生裂紋。


馬里蘭大學(xué)化學(xué)和生物分子工程學(xué)教授王春生說:“經(jīng)過對硅電極的廣泛研究,電池界已經(jīng)達(dá)成共識,這種微型硅陽極不能用于商用鋰離子電池。我們成功地防止了SEI的損害,通過形成一種與鋰化硅顆粒親和力較低的陶瓷SEI,因此鋰化硅可以在體積變化過程中重新在界面上移動,而不會損害SEI?!彪娊庖旱脑O(shè)計(jì)原則適用于所有的合金陽極,這為開發(fā)高能電池供應(yīng)了新的機(jī)遇。


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