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萊斯大學(xué)開發(fā)出新方法 提高鋰電池壽命和效率
時間:2023-05-18 09:47來源:蓋世汽車 作者:劉麗婷
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硅陽極電池極具儲能潛力，被認(rèn)為是實現(xiàn)氣候目標(biāo)和釋放電動汽車全部潛力的關(guān)鍵。然而，硅陽極中鋰離子的不可逆耗盡對下一代鋰離子電池的發(fā)展構(gòu)成了重大制約。
據(jù)外媒報道，萊斯大學(xué)（Rice University）喬治·布朗工程學(xué)院（George R. Brown School of Engineering）的科學(xué)家們開發(fā)出易于擴展的方法來優(yōu)化預(yù)鋰化（prelithiation），即通過在硅陽極上涂上穩(wěn)定的鋰金屬顆粒（SLMP）來幫助減少鋰損失并改善電池壽命周期。
圖片來源：萊斯大學(xué)
萊斯實驗室化學(xué)和生物分子工程師Sibani Lisa Biswal發(fā)現(xiàn)，用顆粒和表面活性劑的混合物噴涂陽極可將電池壽命延長22%至44%。具有更多涂層的電池最初實現(xiàn)了更高的穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。然而，當(dāng)滿容量循環(huán)時，大量的顆粒涂層會導(dǎo)致更多的鋰捕獲，導(dǎo)致電池在隨后的循環(huán)中更快地衰減。相關(guān)研究已發(fā)表于期刊《ACS Applied Energy Materials》。
在鋰離子電池中用硅代替石墨將顯著提高能量密度（相對于重量和尺寸存儲的能量），因為由碳制成的石墨可以容納比硅更少的鋰離子。每個鋰離子需要六個碳原子，而一個硅原子可以與多達(dá)四個鋰離子結(jié)合。
Biswal表示：“硅是能夠真正提高鋰離子電池陽極側(cè)能量密度的材料之一，這也是為何目前電池科學(xué)正在推動用硅陽極取代石墨陽極。但硅的主要問題之一是會不斷形成固體電解質(zhì)界面，或?qū)嶋H上消耗鋰的SEI層。”
當(dāng)電池中的電解質(zhì)與電子和鋰離子發(fā)生反應(yīng)時，就會形成該SEI層，從而在陽極上沉積納米級的鹽層。一旦形成，該層將電解質(zhì)與陽極絕緣，防止反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。 然而，SEI可能會在隨后的充電和放電循環(huán)中破裂，并且隨著重新形成，它會不可逆轉(zhuǎn)地進(jìn)一步耗盡電池的鋰儲備。
圖片來源：萊斯大學(xué)
化學(xué)和生物分子工程博士校友、該研究的主要作者Quan Nguyen表示：“隨著電池不斷循環(huán)，硅陽極的體積會發(fā)生變化，這可能會破壞SEI或使其不穩(wěn)定。我們希望SEI層在電池后期的充放電循環(huán)中保持穩(wěn)定。”
Biswal及其團(tuán)隊開發(fā)的預(yù)鋰化方法提高了SEI層的穩(wěn)定性，這意味著在形成時消耗的鋰離子更少。Biswal表示：“預(yù)鋰化是一種旨在補償硅通常發(fā)生的鋰損失的策略。你可以把它想象成給表面涂底漆，比如當(dāng)你粉刷一面墻時，你需要先涂上一層底漆以確保你的油漆能粘住。預(yù)鋰化使我們能夠‘涂底漆’陽極，這樣電池就可以有一個更穩(wěn)定更長的循環(huán)壽命。”
雖然這些顆粒和預(yù)鋰化并不新鮮，但Biswal實驗室能夠以一種易于融入現(xiàn)有電池制造工藝的方式改進(jìn)工藝。Nguyen解釋說，將顆粒與不含表面活性劑的溶劑混合不會形成均勻的涂層。此外，事實證明，與陽極上的其他應(yīng)用方法相比，噴涂更能實現(xiàn)均勻分布。
控制電池的循環(huán)容量對該過程至關(guān)重要
圖片來源：萊斯大學(xué)
Nguyen表示：“如果你不控制電池循環(huán)的容量，更多的顆粒將觸發(fā)我們在論文中發(fā)現(xiàn)和描述的鋰捕獲機制。但如果你循環(huán)使用涂層均勻分布的電池，那么鋰捕獲就不會發(fā)生。如果我們找到通過優(yōu)化循環(huán)策略和SLMP量來避免鋰捕獲的方法，那將使我們能夠更好地利用硅基陽極的更高能量密度。”
(責(zé)任編輯：子蕊)
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