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慧正資訊：萊斯大學喬治布朗工程學院的科學家開發了一種易于擴展的方法來優化預鋰化，該過程通過在硅陽極上涂上穩定的鋰金屬顆粒（SLMP）來幫助減少鋰損失并改善電池壽命周期。
陽極噴涂法
硅陽極電池具有徹底改變儲能能力的潛力，這是實現氣候目標和釋放電動汽車全部潛力的關鍵。然而，硅陽極中鋰離子的不可逆損耗嚴重制約了下一代鋰離子電池的發展。
萊斯大學化學和生物分子實驗室的工程師Sibani Lisa Biswal發現，在陽極上噴涂顆粒和表面活性劑的混合物，可以使電池壽命延長22%至44%。具有更大涂層量的電池單元最初實現了更高的穩定性和循環壽命。
然而，有一個缺點。當以滿容量循環時，大量的顆粒涂層會導致更多的鋰捕獲，導致電池在后續循環中更快褪色。
在鋰離子電池中，用硅代替石墨將顯著提高其能量密度，即相對于重量和尺寸存儲的能量存儲量。因為石墨是由碳構成的，它能容納的鋰離子比硅少。每個鋰離子需要6個碳原子，而僅一個硅原子就可以與多達四個鋰離子結合。
“硅是能夠真正提高鋰離子電池陽極能量密度的材料之一，”Biswal說。“這就是為什么目前電池科學界正在推動用硅陽極取代石墨陽極。”
SEI層消耗鋰
然而，硅的其他特性也帶來了挑戰。Biswal繼續說道： “硅的主要問題之一是它會不斷形成我們所說的固體電解質中間相或SEI層，而實際上會消耗鋰。”
當電池中的電解質與電子和鋰離子發生反應時，就會形成該層，從而在陽極上沉積一層納米級的鹽。一旦形成，該層就會將電解質與陽極隔離，防止反應繼續進行。然而，SEI可能會在隨后的充電和放電循環中中斷，并且隨著它的重新形成，它會不可逆轉地進一步耗盡電池的鋰儲備。
“硅陽極的體積會隨著電池的循環而變化，這可能會破壞SEI或使其不穩定，”化學和生物分子工程博士生、該研究的主要作者Quan Nguyen說。“我們希望該層在電池后續的充電和放電周期中保持穩定。”
鋰離子損失的戰略補償
Biswal和她的團隊開發的預鋰化方法提高了SEI層的穩定性，這意味著形成時消耗的鋰離子更少。
Biswal表示：“預鋰化是一種旨在補償硅通常發生的鋰損失的策略。你可以把它想象成給表面涂底漆，就像你在粉刷墻壁時，你需要先涂一層底漆以確保涂料粘住。預鋰化使我們能夠‘預充’陽極，從而使電池具有更穩定、更長的循環壽命。
雖然這些顆粒和預鋰化并不新鮮，但Biswal實驗室能夠以一種易于融入現有電池制造工藝的方式改進工藝。
“Quan開發的新工藝的一個方面是使用表面活性劑來幫助分散顆粒，”Biswal補充道。“以前沒有報道過這一點，這使得可以實現均勻的分散。因此，它們可以均勻分布，而不是聚集或堆積在電池內的不同口袋中。”
控制電池的循環容量
Nguyen解釋說，將顆粒與不含表面活性劑的溶劑混合不會產生均勻的涂層。此外，事實證明，噴涂比其他陽極涂覆方法更能實現均勻分布。“噴涂方法適合大規模生產，”Nguyen說道。控制電池的循環容量對于該過程至關重要。
“如果不控制電池的循環容量，更多的顆粒將觸發我們在論文中發現和描述的這種鋰捕獲機制，”Nguyen評論道。“但如果你讓電池在均勻分布的涂層下循環，那么鋰捕獲就不會發生。”
“如果我們找到通過優化循環策略和SLMP量來避免鋰捕獲的方法，這將使我們能夠更好地利用硅基陽極的更高能量密度，”Nguyen補充道。
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