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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

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58京牌 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、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。

(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。

,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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