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纯硅阳极打造高性能全固态电池
来源:[科技日报 作者: 张佳欣]   发布日期:[2021/9/27 13:03:52]    共阅[68]次    [ 字体: ]
 


1)全固态电池由正极复合层、硫化物固体电解质层和无碳微硅负极组成。2) 在充电之前,离散的微型硅颗粒构成了能量密集的阳极。在电池充电过程中,正锂离子从阴极移动到阳极,形成稳定的二维界面。3) 随着越来越多的锂离子进入阳极,它与微硅反应形成相互连接的锂硅合金 (Li-Si) 颗粒。反应继续在整个电极中传播。4)反应使微硅颗粒膨胀致密化,形成致密的锂硅合金电极。锂硅合金和固体电解质的机械性能在保持二维界面的完整性和接触方面起着至关重要的作用。图片来源:美国加州大学圣地亚哥分校


美国加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师们与韩国电池制造商LG能源解决方案公司的研究人员合作,使用固态电解质和全硅阳极,创造了一种新型的硅全固态电池。最初的几轮测试表明,新电池安全、持久且能量密集,可提供500次充放电循环,室温容量保持率为80%,为使用硅等合金阳极的固态电池开辟了一个新领域,有望用于从电网存储到电动汽车的广泛领域。相关研究日前发表在《科学》杂志上。

具有高能量密度的下一代固态电池一直依赖金属锂作为阳极。但这对电池充电率和充电过程中需要升高温度(通常是60摄氏度或更高)带来了限制。硅阳极克服了这些限制,在室温到低温下允许更快的充电速率,同时保持高能量密度,比当今商业锂离子电池中最常用的石墨阳极高10倍。然而,研究人员表示,硅阳极最大的问题之一是液体电解质界面的不稳定性,这使全硅阳极无法用于商用锂离子电池。

此次,研究人员采取了一种不同的方法:他们消除了全硅阳极附带的碳和黏合剂。此外,研究人员使用了微硅,比更常用的纳米硅所需加工更少,价格也更低。

研究人员还除去了液体电解质,取而代之的是使用了一种基于硫化物的固体电解质。实验表明,这种固体电解质在全硅阳极电池中非常稳定。

通过上述方法,研究人员避免了电池运行时阳极浸泡在有机液体电解质中出现的一系列挑战。

同时,通过消除阳极中的碳,该团队显著减少了阳极与固体电解质的界面接触,避免了液体电解质通常发生的连续容量损失,充分发挥了硅的低成本、高能量和环境友好特性。

“固态硅方法克服了传统电池的许多局限性。”研究人员说,“这为我们提供了更多机会,能满足市场对更高体积能源、更低成本和更安全电池的需求,特别是在电网储能方面。”

总编辑圈点

更安全、续航更持久、能量密度更高、成本更低,这是应用市场对电池提出的重要需求,也是电池研究人员孜孜不倦的追求方向。举例而言,目前新能源汽车普遍应用的是液态电池,虽然近年来液态电池性能不断提升,但与满足消费者需求仍存在一定距离。固态电池是下一代动力电池的发展方向之一,它的迭代升级有望让更强大的电池走向现实。

责任编辑: 左常睿

 
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