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萊斯大學(xué)開發(fā)出新方法 提高鋰電池壽命和效率

時(shí)間:2023-05-18 09:47來(lái)源:蓋世汽車 作者:劉麗婷
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       硅陽(yáng)極電池極具儲(chǔ)能潛力，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)和釋放電動(dòng)汽車全部潛力的關(guān)鍵。然而，硅陽(yáng)極中鋰離子的不可逆耗盡對(duì)下一代鋰離子電池的發(fā)展構(gòu)成了重大制約。
 
       據(jù)外媒報(bào)道，萊斯大學(xué)（Rice University）喬治·布朗工程學(xué)院（George R. Brown School of Engineering）的科學(xué)家們開發(fā)出易于擴(kuò)展的方法來(lái)優(yōu)化預(yù)鋰化（prelithiation），即通過在硅陽(yáng)極上涂上穩(wěn)定的鋰金屬顆粒（SLMP）來(lái)幫助減少鋰損失并改善電池壽命周期。
圖片來(lái)源：萊斯大學(xué)
 
       萊斯實(shí)驗(yàn)室化學(xué)和生物分子工程師Sibani Lisa Biswal發(fā)現(xiàn)，用顆粒和表面活性劑的混合物噴涂陽(yáng)極可將電池壽命延長(zhǎng)22%至44%。具有更多涂層的電池最初實(shí)現(xiàn)了更高的穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。然而，當(dāng)滿容量循環(huán)時(shí)，大量的顆粒涂層會(huì)導(dǎo)致更多的鋰捕獲，導(dǎo)致電池在隨后的循環(huán)中更快地衰減。相關(guān)研究已發(fā)表于期刊《ACS Applied Energy Materials》。
 
       在鋰離子電池中用硅代替石墨將顯著提高能量密度（相對(duì)于重量和尺寸存儲(chǔ)的能量），因?yàn)橛商贾瞥傻氖梢匀菁{比硅更少的鋰離子。每個(gè)鋰離子需要六個(gè)碳原子，而一個(gè)硅原子可以與多達(dá)四個(gè)鋰離子結(jié)合。
 
       Biswal表示：“硅是能夠真正提高鋰離子電池陽(yáng)極側(cè)能量密度的材料之一，這也是為何目前電池科學(xué)正在推動(dòng)用硅陽(yáng)極取代石墨陽(yáng)極。但硅的主要問題之一是會(huì)不斷形成固體電解質(zhì)界面，或?qū)嶋H上消耗鋰的SEI層。”
 
       當(dāng)電池中的電解質(zhì)與電子和鋰離子發(fā)生反應(yīng)時(shí)，就會(huì)形成該SEI層，從而在陽(yáng)極上沉積納米級(jí)的鹽層。一旦形成，該層將電解質(zhì)與陽(yáng)極絕緣，防止反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。 然而，SEI可能會(huì)在隨后的充電和放電循環(huán)中破裂，并且隨著重新形成，它會(huì)不可逆轉(zhuǎn)地進(jìn)一步耗盡電池的鋰儲(chǔ)備。
圖片來(lái)源：萊斯大學(xué)
   
       化學(xué)和生物分子工程博士校友、該研究的主要作者Quan Nguyen表示：“隨著電池不斷循環(huán)，硅陽(yáng)極的體積會(huì)發(fā)生變化，這可能會(huì)破壞SEI或使其不穩(wěn)定。我們希望SEI層在電池后期的充放電循環(huán)中保持穩(wěn)定。”
 
       Biswal及其團(tuán)隊(duì)開發(fā)的預(yù)鋰化方法提高了SEI層的穩(wěn)定性，這意味著在形成時(shí)消耗的鋰離子更少。Biswal表示：“預(yù)鋰化是一種旨在補(bǔ)償硅通常發(fā)生的鋰損失的策略。你可以把它想象成給表面涂底漆，比如當(dāng)你粉刷一面墻時(shí)，你需要先涂上一層底漆以確保你的油漆能粘住。預(yù)鋰化使我們能夠‘涂底漆’陽(yáng)極，這樣電池就可以有一個(gè)更穩(wěn)定更長(zhǎng)的循環(huán)壽命。”
 
       雖然這些顆粒和預(yù)鋰化并不新鮮，但Biswal實(shí)驗(yàn)室能夠以一種易于融入現(xiàn)有電池制造工藝的方式改進(jìn)工藝。Nguyen解釋說，將顆粒與不含表面活性劑的溶劑混合不會(huì)形成均勻的涂層。此外，事實(shí)證明，與陽(yáng)極上的其他應(yīng)用方法相比，噴涂更能實(shí)現(xiàn)均勻分布。
 
控制電池的循環(huán)容量對(duì)該過程至關(guān)重要
圖片來(lái)源：萊斯大學(xué)
 
       Nguyen表示：“如果你不控制電池循環(huán)的容量，更多的顆粒將觸發(fā)我們?cè)谡撐闹邪l(fā)現(xiàn)和描述的鋰捕獲機(jī)制。但如果你循環(huán)使用涂層均勻分布的電池，那么鋰捕獲就不會(huì)發(fā)生。如果我們找到通過優(yōu)化循環(huán)策略和SLMP量來(lái)避免鋰捕獲的方法，那將使我們能夠更好地利用硅基陽(yáng)極的更高能量密度。”
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 鋰電池 萊斯大學(xué)
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