新的灌注方法提高了电池寿命和效率

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对下一代锂离子电池的发展构成了重大制约。

莱斯大学乔治布朗工程学院的科学家开发了一种易于扩展的方法来优化预锂化，该过程通过用稳定的锂金属颗粒(SLMP)涂覆硅阳极来帮助减轻锂损失并改善电池寿命。

化学和生物分子工程师Sibani Lisa Biswal的Rice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提高22%至44%。具有更多涂层量的电池单元最初实现了更高的稳定性和循环寿命。然而，有一个缺点：当满负荷循环时，更多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褪色。

该研究发表在ACS应用能源材料上。

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可以比硅容纳更少的锂离子。每个锂离子需要六个碳原子，而只有一个硅原子可以与多达四个锂离子键合。

“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的原因。

然而，硅还有其他具有挑战性的特性。

“硅的主要问题之一是它不断形成我们所谓的固体电解质界面或SEI层，实际上消耗锂，”Biswal说。

当电池单元中的电解质与电子和锂离子反应时，形成该层，从而在阳极上沉积纳米级盐层。一旦形成，该层将电解质与阳极隔离，防止反应继续。然而，SEI可能会在随后的充电和放电循环中中断，并且随着它的重组，它会不可逆转地进一步耗尽电池的锂储备。

“硅阳极的体积会随着电池的循环而变化，这可能会破坏SEI或以其他方式使其不稳定，”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以后的充电和放电周期中保持稳定。

Biswal和她的团队开发的预锂化方法提高了SEI层的稳定性，这意味着形成锂离子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打底漆，就像你在粉刷墙壁时，你需要首先涂上底漆以确保你的油漆粘住。预锂化使我们能够对阳极进行'灌注'，因此电池可以具有更稳定、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纳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新的，Quan开发的是使用表面活性剂来帮助分散颗粒，”Biswal说。“这以前没有报道过，这就是让你均匀分散的原因。因此，它们不会聚集或堆积在电池内的不同口袋中，而是可以均匀分布。

Nguyen解释说，将颗粒与不含表面活性剂的溶剂混合不会产生均匀的涂层。此外，事实证明，喷涂涂层比其他应用于阳极的方法更能实现均匀分布。

“喷涂方法与大规模制造兼容，”Nguyen说。

控制电池的循环能力对该过程至关重要。

“如果你不控制循环细胞的容量，更多的粒子将触发我们在论文中发现和描述的这种锂捕获机制，”Nguyen说。“但是，如果你用均匀分布的涂层循环电池，那么锂捕获就不会发生。

“如果我们通过优化循环策略和SLMP量找到避免锂捕获的方法，这将使我们能够更好地利用硅基阳极的更高能量密度。

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