一种新的电解液设计，可以提高锂离子电池的性能
时间:2020-05-14 09:42来源:科技报告与资讯 作者:综合报道
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尽管硅阳极具有更高的容量，但迄今为止，硅阳极还无法与石墨阳极竞争，因为硅在电池运行过程中会膨胀和收缩，因此在电池工作时，阳极的外层保护层很容易破裂。在最近发表在《Nature Energy》杂志上的一篇论文中，美国马里兰大学和陆军研究实验室的研究人员提出了一种新的电解液设计，可以克服现有硅阳极的局限性。
覆盖富含LiF的SEI层的Si颗粒
“硅阳极及其形成的固体电解质相间层（SEI）保护层在电池运行过程中更容易被粉碎，因为SEI与Si牢固地结合在一起，所以两者都经历了大量的变化”，进行这项研究的主要研究人员之一Ji Chen说。
SEI是一种保护层，当正极颗粒直接接触电解质时，会自然形成保护层。这层保护层的作用是防止电池内部发生进一步的反应，将阳极与电解液分开。
“如果这个保护层在Si阳极粒子膨胀或收缩过程中被破坏，新暴露的阳极粒子就会与电解液不断发生反应，直到电池循环过程中电解液耗尽”，陆军研究实验室参与研究的高级化学家Oleg Borodin说。
十多年来，全世界的研究小组一直在努力克服阻碍硅阳极在LIB中使用的问题，主要是通过设计柔性和有机的SEI，使其与阳极一起膨胀。然而，事实证明，他们开发的大多数解决方案要么完全无效，要么是轻度有效，因此只能部分防止SEI损坏。
“很长一段时间以来，LIB研究界一直在试图设计出让Si这样的高容量阳极发挥作用的技术”，马里兰大学（UMD）化学与生物分子工程系教授Chunsheng Wang说，他也是UMD极限电池研究中心主任。“这些研究人员大多是通过引入昂贵的纳米制造工艺，在Si材料层面进行研究。我们试图通过设计高容量阳极的电解液和相应的SEI来解决这个问题，但我们尝试了不同的方法。”
Chen、Borodin、Wang和他们的同事们设计了一种电解液，可以提高微尺寸硅阳极在LIB中的性能，防止其外部保护层受损。与之前提出的解决方案相比，他们的方法大大减少了电解液的降解，从而使电池在失去容量之前的循环时间大大延长。
研究人员研究的最终目标是确定一种通用的、即插即用的解决方案，以促进锂基电池高容量阳极的开发。为了实现这一目标，他们使用最先进的盐LiPF6和乙醚溶剂的混合物设计了电解液，形成了非常坚固的富含LiF的SEI保护层。
“特殊的溶剂化结构（盐和溶剂之间的相互作用）以及盐和溶剂之间的还原倾向之间的巨大差距促进了在Si上形成独特的富含LiF的SEI，这对循环高容量Si阳极的电池超级有益。”Oleg解释说。“我们设计的电解液为目前的LIB技术提供了一种无需昂贵的加工工艺就能实现的即插即用的解决方案，同时保持了前所未有的高循环稳定性。”
Chen、Borodin、Wang和他们的同事最近的研究证明，在含有硅阳极的LIB中实现良好的循环和高效率实际上是可能的，只需更换电池内部的电解液就可以实现，这在以前被认为是不切实际或完全不可行的。他们的电解液设计背后的原理理论上也可以应用于所有的高容量合金阳极。在未来，这种设计可以创造出性能更好的锂基电池，其中含有石墨以外的其他材料的阳极。
“我们的研究结果为电解液设计指出了一个新的方向，可以让全球的研究团队对高容量负极材料在LIB中的应用充满信心。”Wang说。“我们下一步将是改善电解质的电压范围，并尝试将该技术授权给电池制造商。”
论文标题为《Electrolyte design for LiF-rich solid–electrolyte interfaces to enable high-performance microsized alloy anodes for batteries》。
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