萊斯大學開發出新方法 提高鋰電池壽命和效率
時間:2023-05-18 09:47來源:蓋世汽車 作者:劉麗婷
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據外媒報道，萊斯大學（Rice University）喬治·布朗工程學院（George R. Brown School of Engineering）的科學家們開發出易于擴展的方法來優化預鋰化（prelithiation），即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。
圖片來源：萊斯大學
萊斯實驗室化學和生物分子工程師Sibani Lisa Biswal發現，用顆粒和表面活性劑的混合物噴涂陽極可將電池壽命延長22%至44%。具有更多涂層的電池最初實現了更高的穩定性和循環壽命。然而，當滿容量循環時，大量的顆粒涂層會導致更多的鋰捕獲，導致電池在隨后的循環中更快地衰減。相關研究已發表于期刊《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（相對于重量和尺寸存儲的能量），因為由碳制成的石墨可以容納比硅更少的鋰離子。每個鋰離子需要六個碳原子，而一個硅原子可以與多達四個鋰離子結合。
Biswal表示：“硅是能夠真正提高鋰離子電池陽極側能量密度的材料之一，這也是為何目前電池科學正在推動用硅陽極取代石墨陽極。但硅的主要問題之一是會不斷形成固體電解質界面，或實際上消耗鋰的SEI層。”
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SEI層，從而在陽極上沉積納米級的鹽層。一旦形成，該層將電解質與陽極絕緣，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破裂，并且隨著重新形成，它會不可逆轉地進一步耗盡電池的鋰儲備。
圖片來源：萊斯大學
化學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，硅陽極的體積會發生變化，這可能會破壞SEI或使其不穩定。我們希望SEI層在電池后期的充放電循環中保持穩定。”
Biswal及其團隊開發的預鋰化方法提高了SEI層的穩定性，這意味著在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，比如當你粉刷一面墻時，你需要先涂上一層底漆以確保你的油漆能粘住。預鋰化使我們能夠‘涂底漆’陽極，這樣電池就可以有一個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。Nguyen解釋說，將顆粒與不含表面活性劑的溶劑混合不會形成均勻的涂層。此外，事實證明，與陽極上的其他應用方法相比，噴涂更能實現均勻分布。
控制電池的循環容量對該過程至關重要
圖片來源：萊斯大學
Nguyen表示：“如果你不控制電池循環的容量，更多的顆粒將觸發我們在論文中發現和描述的鋰捕獲機制。但如果你循環使用涂層均勻分布的電池，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，那將使我們能夠更好地利用硅基陽極的更高能量密度。”
(責任編輯：子蕊)
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