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洛斯阿拉莫斯实验室:开发硅负极涂层 有望提升电池容量

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58京牌 在硅线锂离子电池中,电解液会剥离硅,阻断电子通路并大大降低充电能力。,为了开辟新的研究途径,研究人员详细研究这一过程,以充分利用硅的巨大潜力,打造高容量、长效电池,从而彻底改变手机、汽车等设备。

(图片来源:洛斯阿拉莫斯国家实验室)

洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)的科学家Jinkyoung Yoo表示:“基于新的认识,我们提议开发一种涂层方法,将硅与电解液隔离开来,从而提升硅纳米线锂离子电池的性能。”

研究人员认为,在下一代锂离子电池的实际应用中,硅是最有前途的高容量负极材料。在锂离子电池中,使用基于石墨的负极,可使的续航里程超过400英里。硅负极电池的存储容量,是石墨负极电池的10倍多,但由于反复充电后会出现容量衰减,其开发受到阻碍。经过100次充放电循环后,使用硅的电池只能保留60%的原始存储容量。就日常技术而言,这还不够好。目前,其确切原因尚不明了。

在早期应用中,当硅球形粒子暴露在电解液中并进行充电时,会膨胀300%并破坏负极。在所有类型的电池中,将负极暴露于电解质的过程,会产生形成固体电解质界面膜(SEI) 的反应。SEI对电池中的电化学反应至关重要,并控制着电池稳定性。当SEI从负极分离时,如同剥离硅一样,电接触断开,电池容量下降。研究人员表示:“我们曾经认为,采用纳米线,可以解决硅在电解液中膨胀的问题。因为线长度可以拉长。然而,事实证明,我们并没有搞明白。”

为了深入进行研究,研究人员在不锈钢圆盘上种植了一片硅纳米线“森林”,作为电池实验的负极。该实验室的CINT设施具有独特的能力,可以使负极上直接生长这种硅线。然后,结合低温扫描透射电子显微镜与先进的分析算法,以3D方式揭示硅纳米线的相关结构和化学演化,及在其上形成的SEI。

新的研究发现,电解液会渗透到硅纳米线中的各个地方,形成SEI口袋,破坏电子通道。经过这一过程,最终在负极上形成孤立的硅岛,无益于电池容量。研究人员计划,下一步是在硅颗粒或纳米线上覆以涂层,以在电解液存在的情况下保持硅的完整性。

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