莱斯大学开发出新方法 提高锂电池寿命和效率
时间:2023-05-18 09:47来源:盖世汽车 作者:刘丽婷
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据外媒报道，莱斯大学（Rice University）乔治·布朗工程学院（George R. Brown School of Engineering）的科学家们开发出易于扩展的方法来优化预锂化（prelithiation），即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改善电池寿命周期。
图片来源：莱斯大学
莱斯实验室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将电池寿命延长22%至44%。具有更多涂层的电池最初实现了更高的稳定性和循环寿命。然而，当满容量循环时，大量的颗粒涂层会导致更多的锂捕获，导致电池在随后的循环中更快地衰减。相关研究已发表于期刊《ACS Applied Energy Materials》。
在锂离子电池中用硅代替石墨将显著提高能量密度（相对于重量和尺寸存储的能量），因为由碳制成的石墨可以容纳比硅更少的锂离子。每个锂离子需要六个碳原子，而一个硅原子可以与多达四个锂离子结合。
Biswal表示：“硅是能够真正提高锂离子电池阳极侧能量密度的材料之一，这也是为何目前电池科学正在推动用硅阳极取代石墨阳极。但硅的主要问题之一是会不断形成固体电解质界面，或实际上消耗锂的SEI层。”
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SEI层，从而在阳极上沉积纳米级的盐层。一旦形成，该层将电解质与阳极绝缘，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，并且随着重新形成，它会不可逆转地进一步耗尽电池的锂储备。
图片来源：莱斯大学
化学和生物分子工程博士校友、该研究的主要作者Quan Nguyen表示：“随着电池不断循环，硅阳极的体积会发生变化，这可能会破坏SEI或使其不稳定。我们希望SEI层在电池后期的充放电循环中保持稳定。”
Biswal及其团队开发的预锂化方法提高了SEI层的稳定性，这意味着在形成时消耗的锂离子更少。Biswal表示：“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，比如当你粉刷一面墙时，你需要先涂上一层底漆以确保你的油漆能粘住。预锂化使我们能够‘涂底漆’阳极，这样电池就可以有一个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。Nguyen解释说，将颗粒与不含表面活性剂的溶剂混合不会形成均匀的涂层。此外，事实证明，与阳极上的其他应用方法相比，喷涂更能实现均匀分布。
控制电池的循环容量对该过程至关重要
图片来源：莱斯大学
Nguyen表示：“如果你不控制电池循环的容量，更多的颗粒将触发我们在论文中发现和描述的锂捕获机制。但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，那将使我们能够更好地利用硅基阳极的更高能量密度。”
(责任编辑：子蕊)
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