硅阳极电池极具储能潜力，被认为是实现气候目标和释放电动汽车全部潜力的关键。然而，硅阳极中锂离子的不可逆耗尽对下一代锂离子电池的发展构成了重大制约。

 

       据外媒报道，莱斯大学（Rice University）乔治·布朗工程学院（George R. Brown School of Engineering）的科学家们开发出易于扩展的方法来优化预锂化（prelithiation），即通过在硅阳极上涂上稳定的锂金属颗粒（SLMP）来帮助减少锂损失并改善电池寿命周期。

图片来源：莱斯大学

 

       莱斯实验室化学和生物分子工程师Sibani Lisa Biswal发现，用颗粒和表面活性剂的混合物喷涂阳极可将电池寿命延长22%至44%。具有更多涂层的电池最初实现了更高的稳定性和循环寿命。然而，当满容量循环时，大量的颗粒涂层会导致更多的锂捕获，导致电池在随后的循环中更快地衰减。相关研究已发表于期刊《ACS Applied Energy Materials》。

 

       在锂离子电池中用硅代替石墨将显著提高能量密度（相对于重量和尺寸存储的能量），因为由碳制成的石墨可以容纳比硅更少的锂离子。每个锂离子需要六个碳原子，而一个硅原子可以与多达四个锂离子结合。

 

       Biswal表示：“硅是能够真正提高锂离子电池阳极侧能量密度的材料之一，这也是为何目前电池科学正在推动用硅阳极取代石墨阳极。但硅的主要问题之一是会不断形成固体电解质界面，或实际上消耗锂的SEI层。”

 

       当电池中的电解质与电子和锂离子发生反应时，就会形成该SEI层，从而在阳极上沉积纳米级的盐层。一旦形成，该层将电解质与阳极绝缘，防止反应继续进行。 然而，SEI可能会在随后的充电和放电循环中破裂，并且随着重新形成，它会不可逆转地进一步耗尽电池的锂储备。

图片来源：莱斯大学

   

       化学和生物分子工程博士校友、该研究的主要作者Quan Nguyen表示：“随着电池不断循环，硅阳极的体积会发生变化，这可能会破坏SEI或使其不稳定。我们希望SEI层在电池后期的充放电循环中保持稳定。”

 

       Biswal及其团队开发的预锂化方法提高了SEI层的稳定性，这意味着在形成时消耗的锂离子更少。Biswal表示：“预锂化是一种旨在补偿硅通常发生的锂损失的策略。你可以把它想象成给表面涂底漆，比如当你粉刷一面墙时，你需要先涂上一层底漆以确保你的油漆能粘住。预锂化使我们能够‘涂底漆’阳极，这样电池就可以有一个更稳定更长的循环寿命。”

 

       虽然这些颗粒和预锂化并不新鲜，但Biswal实验室能够以一种易于融入现有电池制造工艺的方式改进工艺。Nguyen解释说，将颗粒与不含表面活性剂的溶剂混合不会形成均匀的涂层。此外，事实证明，与阳极上的其他应用方法相比，喷涂更能实现均匀分布。

 

控制电池的循环容量对该过程至关重要

图片来源：莱斯大学

 

       Nguyen表示：“如果你不控制电池循环的容量，更多的颗粒将触发我们在论文中发现和描述的锂捕获机制。但如果你循环使用涂层均匀分布的电池，那么锂捕获就不会发生。如果我们找到通过优化循环策略和SLMP量来避免锂捕获的方法，那将使我们能够更好地利用硅基阳极的更高能量密度。”