硅阳极电池有可能彻底改变储能能力，这是实现气候目标 和释放电动汽车全部潜力的关键。
然而，硅负极中锂离子的不可逆耗尽 成为下一代锂离子电池发展的主要制约因素。
莱斯大学乔治·R·布朗工程学院的科学家 们开发了一种易于扩展的方法来优化预锂化，这一过程 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。
化学和生物分子工程师Sibani Lisa Biswal的赖斯实验室发现，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，有一个缺点：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。
该研究 发表在ACS Applied Energy Materials上。
在锂离子电池中用硅代替石墨将显着提高它们的能量密度 ——相对于重量和尺寸存储的能量——因为由碳制成的石墨比硅可以容纳更少的锂离子。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。
“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，”Biswal 说。“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，硅还有其他带来挑战的特性。
“硅的一个主要问题是它不断形成我们所说的固体电解质界面或 实际上消耗锂的SEI 层，”Biswal 说。
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，并且随着它的重新形成，它会不可逆转地进一步耗尽电池的锂储备。
“随着电池的循环，硅阳极的体积会发生变化，这可能会破坏 SEI 或使其不稳定，”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后期的充电和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。
“预锂化是一种旨在补偿硅通常发生的锂损失的策略，”Biswal 说。“你可以把它想象成给表面涂底漆，比如当你粉刷一面墙时，你需要先涂一层底漆以确保你的油漆能粘住。预锂化使我们能够“灌注”阳极，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。
“该过程的一个方面绝对是全新的，并且是 Quan 开发的，它是使用表面活性剂来帮助分散颗粒，”Biswal 说。“这以前没有被报道过，这就是让你有一个均匀分散的原因。因此，它们可以均匀分布，而不是聚集或堆积到电池内的不同位置。”
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。
“喷涂方法适合大规模生产，”Nguyen 说。
控制电池的循环容量对该过程至关重要。
Nguyen 说：“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。”
Biswal 是莱斯大学的 William M. McCardell 化学工程教授、材料科学和纳米工程教授，以及负责教师发展的副院长。
该研究得到了福特汽车公司大学研究计划、国家科学基金会 (1842494, CBET-1626418) 和赖斯共享设备管理局的支持。
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