高性能电解质能有效的解决电池寿命难题

锂离子电池已经成为我们日常生活不可或缺的一部分。但是,我们的能源需求社会要求更长的寿命,更快的充电速度以及更轻的电池,以用于从电动汽车到便携式电子设备的各种应用,包括随着陆军采用众多电子设备来减轻士兵的负担。

电池中作为阳极的硅纳米颗粒受到一层由新设计的电解质自然形成的保护。图片来源:马里兰大学

电池寿命难题

我们能接近更轻,更快充电的电池吗?当前一代的锂离子电池使用石墨作为负极,其具有相对低的容量,并且可以被具有高容量和低环境影响的硅负极代替。这是一个非常有前途的研究方向,但难以捉摸,因为带有大粒径硅阳极的电池的寿命通常较短,通常少于50个循环。

当研究人员尝试使用硅,铝和铋的纳米颗粒时,他们发现这些纳米级合金阳极仍然寿命短,成本高。王春生和他的同事们可能已经找到了解决这一降解问题的新方向:电解质。

电解质实验

马里兰大学和陆军研究实验室的团队制作了一种电解质,该电解质可在硅上形成保护层,该保护层稳定并可以抵抗硅阳极颗粒中发生的溶胀。合理设计并采用了基本原理的新型电解质为Si提供了阳极颗粒空间,从而使被保护层膨胀。研究结果于2020年4月20日发表在《自然能源》杂志上。

马里兰大学化学与生物分子工程学系论文的主要作者季吉博士说:“我们的研究证明,稳定循环硅,铝和铋粒子作为锂离子是可行且可行的。电池阳极,简单地采用合理设计的电解质,以前被认为是无法实现的。”

“电池的能量密度由电极决定,而电池的性能则由电解质严格控制。设计的电解质可以使用微型合金阳极,这将显着提高电池的能量密度, ”马里兰大学的共同第一作者范秀林博士说,他现在是中国浙江大学的教授。

奥列格博士说:“目前通过分子建模和实验相结合的努力,为合理设计电解液的新方向开辟了一条清晰的道路,从而使高容量硅阳极具有长循环寿命,这为开发用于战斗机的高能电池开辟了道路,” Borodin,来自陆军研究实验室的合作者。

研究证明

当前用于硅阳极的电解质设计旨在形成称为固态电解质界面或SEI的均匀聚合物层,该聚合物层具有柔韧性并与硅牢固结合。然而,聚合物SEI与硅之间的牢固结合迫使SEI具有与阳极颗粒相同的体积变化,因此在电池运行期间,颗粒和SEI均会破裂。

马里兰大学化学与生物分子工程学教授王春生说:“在对硅电极进行了广泛研究之后,电池界已经达成共识,微型硅阳极不能用于商用锂离子电池。” “我们通过形成对锂硅颗粒具有低亲和力的陶瓷SEI成功地避免了SEI损坏,因此锂硅可以在体积变化期间重新定位在界面上而不会损坏SEI。电解质设计原理适用于所有合金阳极,为开发高能电池提供了新的机会。”

Wang说,电解质的商业化仍然面临挑战,4.2V的电压范围仍然需要扩大。

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