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一种新的电解质设计,可以提高锂离子电池的性能

一种新的电解质设计,可以提高锂离子电池的性能 大多数现有的锂离子电池(LIBs)都集成了石墨阳极,其容量约为每克350毫安时(mAh)。硅阳极的容量几乎是石墨阳极的10倍(大约每克2800毫安时),因此理论上可以开发更紧凑、更轻的锂电池。 尽管容量更大,硅阳极目前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,所以当电池运行时,阳极的外层保护层很容易破裂。在最近发表在《自然能源》上的一篇论文中,马里兰大学帕克分校和陆军研究实验室的一组研究人员报告了一种新的电解质设计,这种设计可以克服现有硅阳极的局限性。 “在电池运行过程中,硅阳极及其形成的固态电解质间相(SEI)保护层更容易被粉碎,因为SEI与Si紧密结合,所以两者都经历了大量的变化,”开展这项研究的主要研究人员之一陈季(音译)告诉Phys.org。 当阳极粒子与电解液直接接触时,SEI是一种自然形成的保护层。这一层作为一个屏障,阻止电池内部发生进一步的反应,将阳极与电解液分开。 “如果这一保护层在硅阳极颗粒的膨胀或收缩过程中受损,新暴露的阳极颗粒会与电解液持续反应,直到电池循环过程中耗尽,”参与该研究的陆军研究实验室高级化学家奥列格·博罗丁(Oleg Borodin)告诉Phys.org。 十多年来,世界各地的研究小组一直试图克服在锂电池中使用硅阳极的问题,主要是通过设计与阳极一起扩展的灵活的有机SEIs。然而,他们开发的大多数解决方案已被证明要么完全无效,要么略显有效,因此只能部分防止SEI损害。 一种新的电解质设计,可以提高锂离子电池的性能 “很长一段时间,自由研究社区一直试图设计技术进行高容量阳极和Si作品一样,“春生Wang表示化学与生物分子工程系教授,美国马里兰大学化学与生物化学部门(UMD格式),同时也是研究中心主任UMD格式在极端的电池。这些研究人员主要通过引入昂贵的纳米制造工艺来研究硅材料。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。” Chen, Borodin, Wang和他们的同事设计了一种电解质,可以提高LIBs中微型硅阳极的性能,防止对其外部保护屏障的破坏。与以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,因此允许更长的电池循环之前失去其容量。 研究人员的最终目标是找到一种通用的、完全替代的解决方案,以促进锂电池大容量阳极的开发。为了达到这个目的,他们设计了LiPF6电解质,一种最先进的盐,和乙醚溶剂的混合物,形成一个非常坚固的富含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)和盐和溶剂的还原趋势之间的巨大差距促进了在硅上形成独特的富含lif的SEI,这对高容量硅阳极的循环非常有帮助,”Oleg解释说。“我们设计的电解液为当前的LIB技术提供了一种完全替代的解决方案,而无需进行昂贵的处理,同时保持了前所未有的高循环稳定性和库仑效率(CE)。” Chen, Borodin, Wang和他们的同事最近的研究证明,在含有硅阳极的LIBs中实现良好的循环和高CE实际上是可能的,并且它可以简单地通过替换电池内部的电解液来实现,这在以前被认为是不切实际或完全不可行的。电解质设计背后的原理理论上也适用于所有高容量的合金阳极。在未来,这种设计能够创造出性能更好的锂电池,这种电池含有基于石墨以外材料的阳极。 王说:“我们的研究结果为电解液的设计指明了一个新的方向,可以让全世界的研究团队对锂电池中高容量负极材料的应用充满信心。”“我们的下一步将是改善电解液的电压窗口,并尝试将这项技术授权给电池制造商。” ?2020 Science X Network
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