最近，工程師們創(chuàng)造了一種新型的電池，將兩個(gè)十分有前景的電池子領(lǐng)域“硅負(fù)極”和“全固態(tài)電解質(zhì)”組成起來(lái)變成了“硅全固態(tài)電池”。最初幾輪測(cè)試表明，這種新電池足夠安全、持久、且能量密集，因此有希望在從電網(wǎng)存儲(chǔ)到電動(dòng)汽車(chē)的廣泛領(lǐng)域中得到應(yīng)用。該技術(shù)已發(fā)表在2021年9月24日的《科學(xué)》雜志上。

硅負(fù)極的優(yōu)勢(shì)與缺陷

硅負(fù)極一向以其能量密度而聞名，比當(dāng)今最常使用的石墨負(fù)極高出10倍，因此幾十年來(lái)科學(xué)家和電池制造商一直致力于把硅作為一種高能量密度的材料，用來(lái)混合或完全取代鋰離子電池中常規(guī)的石墨負(fù)極。

但硅負(fù)極也有著很大的缺陷，大部分是由于硅陽(yáng)極和它們所配對(duì)的液體電解質(zhì)之間的相互作用引起的，同時(shí)在充放電過(guò)程中，硅顆粒的大體積膨脹也會(huì)使情況變得更加復(fù)雜。隨著時(shí)間的推移，這些缺陷會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的容量損失問(wèn)題，因此以硅為負(fù)極材料的電池在保持性能的同時(shí)能夠充放電的次數(shù)不夠高，因此商業(yè)應(yīng)用一直受限。

“作為電池研究人員，解決系統(tǒng)中的根本問(wèn)題至關(guān)重要。對(duì)于硅負(fù)極，我們知道最大的問(wèn)題之一是液態(tài)電解質(zhì)界面的不穩(wěn)定性，”加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程學(xué)教授Shirley Meng說(shuō)，她是《科學(xué)》雜志論文的通訊作者，同時(shí)也是加州大學(xué)圣地亞哥分校材料發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)研究所的主任。“我們需要一種完全不同的方法，”Meng表示。

全固態(tài)電解質(zhì)出馬

研究小組為了解決以上問(wèn)題，嘗試著去除了液態(tài)電解質(zhì)，并改用以硫化物為基礎(chǔ)的固體電解質(zhì)，同時(shí)去除硅負(fù)極上的碳和粘結(jié)劑。他們的實(shí)驗(yàn)表明，這種固體電解質(zhì)在全硅陽(yáng)極電池中極為穩(wěn)定。“這項(xiàng)新工作為硅陽(yáng)極問(wèn)題提供了一個(gè)很有前途的解決方案，盡管還有更多的工作要做。”Shirley Meng教授說(shuō)，“我認(rèn)為這個(gè)項(xiàng)目是對(duì)加州大學(xué)圣地亞哥分校電池研究方法的驗(yàn)證。”

通過(guò)將液態(tài)電解質(zhì)換成固態(tài)電解質(zhì)，研究人員避免了一系列相關(guān)的挑戰(zhàn)，同時(shí)通過(guò)消除負(fù)極中的碳，研究小組顯著減少了與固體電解質(zhì)的界面接觸和不必要的副反應(yīng)，避免了液基電解質(zhì)容易出現(xiàn)的連續(xù)電容損失問(wèn)題。此外，常見(jiàn)固態(tài)電池使用的鋰負(fù)極對(duì)于電池的充電率也有限制，而且在充電時(shí)需要升高溫度。硅負(fù)極則能克服這些限制，允許電池在室溫到低溫下有更快的充電速率，同時(shí)保持高能量密度，可謂是一舉多得。

最后，該團(tuán)隊(duì)展示了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的全電池，在室溫下可進(jìn)行500次充放電循環(huán)，容量保持率為80%，這對(duì)硅負(fù)極和固態(tài)電池界來(lái)說(shuō)都是令人興奮的進(jìn)展。

總結(jié)

“固態(tài)硅方法克服了傳統(tǒng)電池的許多局限性。這為我們提供了激動(dòng)人心的機(jī)會(huì)，以滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)更高能量密度、更低成本和更安全的電池的需求，特別是在電網(wǎng)能源儲(chǔ)存方面，”《科學(xué)》雜志的第一作者Darrenh. s. Tan 說(shuō)。

LG能源解決方案公司總裁兼首席采購(gòu)官M(fèi)yung-hwanKim表示：“LG能源解決方案公司很高興加州大學(xué)圣地亞哥分校對(duì)電池技術(shù)的最新研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，這是一個(gè)有意義的承認(rèn)。根據(jù)最新的發(fā)現(xiàn)，LG能源解決方案更接近于實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池技術(shù)，這將極大地豐富我們的電池產(chǎn)品陣容。”

來(lái)源：azom

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