新的启动方法将电池寿命延长达 44%

莱斯大学的工程师在预锂化方面取得了进展，并揭示了锂捕获机制。

硅阳极电池改变储能解决方案的潜力对于实现气候目标和充分实现电动汽车的功能至关重要。

尽管如此，硅阳极中锂离子的持续损失是下一代锂离子电池发展的重大障碍。

莱斯大学乔治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，该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提高电池寿命。

Quan Nguyen（左）、Sibani Lisa Biswal 和合作者开发了一种预锂化技术，有助于提高硅阳极锂离子电池的性能。图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学

莱斯实验室的化学和生物分子工程师 Sibani Lisa Biswal 发现，用颗粒和表面活性剂的混合物喷涂阳极可以将电池寿命提高 22% 至 44%。具有更大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，它有一个缺点：当满容量循环时，大量的颗粒涂层会导致更多的锂捕获，导致电池在后续循环中更快褪色。

该研究发表在 ACS 应用能源材料杂志上。

在锂离子电池中用硅代替石墨将显着提高其能量密度（相对于重量和尺寸存储的能量），因为由碳制成的石墨比硅能容纳更少的锂离子。每个锂离子需要六个碳原子，而仅一个硅原子就可以与多达四个锂离子结合。

Quan Nguyen 是化学和生物分子工程博士生，也是该研究的主要作者。图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学

比斯瓦尔说：“硅是能够真正提高锂离子电池阳极能量密度的材料之一。” “这就是为什么目前电池科学界正在推动用硅阳极取代石墨阳极。”

然而，硅的其他特性也带来了挑战。

Biswal 说：“硅的一个主要问题是它不断形成我们所说的固体电解质中间相或 SEI 层，而实际上会消耗锂。”

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，从而在阳极上沉积一层纳米级的盐。一旦形成，该层就会将电解质与阳极隔离，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。

Quan Nguyen（左）和 Sibani Lisa Biswal。图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学

“硅阳极的体积会随着电池的循环而变化，这可能会破坏 SEI 或使其不稳定，”化学和生物分子工程博士生、该研究的主要作者 Quan Nguyen 说。“我们希望该层在电池后续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，这意味着形成时消耗的锂离子更少。

Biswal 说：“预锂化是一种旨在补偿硅通常发生的锂损失的策略。” “你可以把它想象成给表面涂底漆，就像当你粉刷墙壁时，你需要先涂一层底漆以确保油漆粘住。预锂化使我们能够“准备”阳极，从而使电池具有更稳定、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。

Quan Nguyen 拿着其中一个使用研究中描述的预锂化协议组装的电池。图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学

Biswal 说：“Quan 开发的该工艺绝对是新颖的一个方面是使用表面活性剂来帮助分散颗粒。” “以前没有报道过这一点，这就是让你能够均匀分散的原因。因此，它们可以均匀分布，而不是聚集或堆积在电池内的不同口袋中。”

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，喷涂比其他阳极涂覆方法更能实现均匀分布。

“喷涂方法适合大规模生产，”Nguyen 说。

控制电池的循环容量对于该过程至关重要。

“如果不控制电池的循环容量，更多的颗粒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，这将使我们能够更好地利用硅基阳极的更高能量密度。”