莱斯大学的研究人员已经开发出一种可扩展的方法，通过预锂化来提高锂离子电池的寿命，这是一种在硅阳极上涂上稳定锂金属颗粒的过程，可将电池寿命提高44%。
硅阳极电池改变储能解决方案的潜力对于解决气候目标和充分实现电动汽车的能力至关重要。
然而，硅阳极中锂离子的持续损失是下一代锂离子电池发展的一个重大障碍。
莱斯大学乔治·r·布朗工程学院的科学家们已经开发出一种易于扩展的方法来优化预锂化，这一过程有助于减少锂的损失，并通过在硅阳极上涂上稳定的锂金属颗粒(SLMPs)来提高电池的寿命周期。
Quan Nguyen(左)，Sibani Lisa Biswal和合作者开发了一种预锂化技术，有助于提高硅阳极锂离子电池的性能。图片来源:Jeff Fitlow/Rice University
莱斯大学化学和生物分子实验室的工程师Sibani Lisa Biswal发现，在阳极上喷涂颗粒和表面活性剂的混合物，可以使电池寿命延长22%至44%。具有更大量涂层的电池最初获得了更高的稳定性和循环寿命。然而，这种方法也有一个缺点:当全容量循环时，大量的颗粒涂层会导致更多的锂捕获，从而导致电池在随后的循环中更快地褪色。
这项研究发表在ACS应用能源材料杂志上。
用硅代替锂离子电池中的石墨将显著改善它们的能量密度-储存的能量相对于重量和尺寸-因为石墨是由碳制成的，可以比硅装更少的锂离子。每一个锂离子需要6个碳原子，而一个硅原子可以与多达4个锂离子结合。
Quan Nguyen是化学和生物分子工程博士毕业生，也是该研究的主要作者。图片来源:Jeff Fitlow/Rice University
比斯瓦尔说:“硅是能够真正提高锂离子电池负极能量密度的材料之一。”“这就是为什么目前电池科学正在推动用硅阳极取代石墨阳极。”
然而，硅的其他特性也带来了挑战。
比斯瓦尔说:“硅的一个主要问题是，它会不断形成我们所说的固体电解质间相或SEI层，实际上会消耗锂。”
当电池中的电解质与电子和锂离子发生反应时，就会形成一层纳米级的盐层沉积在阳极上。一旦形成，该层将电解液与阳极隔离，阻止反应继续进行。然而，SEI可以在随后的充放电循环中中断，并且，随着它的改革，它会不可逆转地进一步耗尽电池的锂储备。
Quan Nguyen(左)和Sibani Lisa Biswal。图片来源:Jeff Fitlow/Rice University
“硅阳极的体积会随着电池的循环而变化，这可能会破坏SEI或使其不稳定，”化学和生物分子工程博士校友、该研究的主要作者Quan Nguyen说。“我们希望这一层在电池随后的充放电循环中保持稳定。”
Biswal和她的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说:“预锂化是一种策略，旨在补偿硅中通常发生的锂损失。“你可以把它想象成表面的底漆，就像你在刷墙的时候，你需要先涂一层底漆，以确保你的油漆粘住。预锂化使我们能够‘预充’阳极，从而使电池具有更稳定、更长的循环寿命。”
虽然这些颗粒和预锂化并不新鲜，但比斯瓦尔实验室能够以一种很容易融入现有电池制造工艺的方式改进该工艺。
Quan Nguyen拿着一个使用研究中描述的预锂化协议组装的电池。图片来源:Jeff Fitlow/Rice University
比斯瓦尔说:“Quan开发的新工艺的一个方面是使用表面活性剂来帮助分散颗粒。”“这是以前没有报道过的，这就是为什么你有一个均匀的分散。因此，它们可以均匀分布，而不是聚集在电池内的不同口袋中。”
Nguyen解释说，将颗粒与不含表面活性剂的溶剂混合将无法形成均匀的涂层。此外，与其他方法相比，喷涂在阳极上更能实现均匀分布。
“喷涂方法与大规模生产兼容，”Nguyen说。
控制电池的循环能力对这一过程至关重要。
“如果你不控制电池循环的容量，更多的粒子将触发我们在论文中发现和描述的锂捕获机制，”Nguyen说。“但如果你让电池在均匀分布的涂层下循环，那么锂捕获就不会发生。
“如果我们通过优化循环策略和SLMP数量找到避免锂捕获的方法，那将使我们能够更好地利用硅基阳极的更高能量密度。”
参考文献:“使用稳定的锂金属颗粒增强全电池锂离子电池硅基阳极的预锂化效应”，Quan Anh Nguyen, Anulekha K. Haridas, Tanguy Terlier和Sibani Lisa Biswal, 2023年5月1日，ACS应用能源材料。DOI: 10.1021 / acsaem.3c00713
比斯瓦尔是莱斯大学化学工程William M. McCardell教授、材料科学和纳米工程教授，以及负责学院发展的副院长。
这项研究是由福特汽车公司的大学研究计划、美国国家科学基金会和赖斯大学共享设备管理局资助的。
