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美國開發新電解質 提升鋰離子電池中硅負極的性能

   日期:2019-10-24     來源:蓋世汽車    評論:0       [ 進入汽車材料社區 ] [ 汽車材料館 ]
核心提示:據外媒報道,美國能源部阿貢國家實驗室的研究人員,開發出新型電解質混合物和一種簡單的添加劑,可以增加硅負極的表面和整體穩定性,有望應用于下一代鋰離子電池。
   【中國汽車材料網】據外媒報道,美國能源部阿貢國家實驗室的研究人員,開發出新型電解質混合物和一種簡單的添加劑,可以增加硅負極的表面和整體穩定性,有望應用于下一代鋰離子電池。
  
  為了生產新一代鋰離子電池,數十年來,科學家們一直在尋找新型電極材料和電解質。他們的目標是提高電池的儲能能力,使其壽命更長,成本更低,也更安全。有了新一代電池,電動汽車有望進一步普及,并通過更加廉價可靠的儲能方式,加速電網向可再生能源擴張。
  
  對科學家們來說,硅負極已成為取代當前石墨負極的首選材料。從理論上來說,硅具有明顯的儲能優勢,其鋰存儲量幾乎是石墨的10倍。而且,這種物質的成本低,更具商業吸引力。作為地殼中第二大元素,硅元素在計算和通信硬件中應用廣泛,已具備一系列加工技術。但是,阿貢化學科學與工程部門(CSE)的高級化學家Jack Vaughey指出,“硅負極的應用,仍然存在一定障礙。在循環過程中,鋰離子電池的硅基負極與電解液劇烈反應。長此以住,會導致電池退化,循環壽命縮短。”
  
  目前,鋰離子電池電解液中的溶劑混合物,包括一種溶解的鋰鹽,以及有機添加劑(通常超過三種,至少一種)。阿貢的科學家們提出新策略,對電解液添加劑進行獨特設計,使少量的另外一種鹽中,含有一種二價或三價金屬陽離子,比如Mg2+、Ca2+、Zn2+或Al3+。這類增強型電解質混合物,統稱為“MESA”(mixed-salt electrolytes for silicon anodes,代表用于硅負極的混合鹽電解質),可以增加硅負極的表面和整體穩定性,改善長期循環和使用壽命。CSE部門化學技師Baris Key表示:“我們通過帶有標準商業化電極的完整電池,對MESA進行全面測試。這種新型化學物質結構簡單,具有可伸縮性,與現有電池技術完全兼容。”
  
  Vaughey補充道,“在這個項目中,阿貢的電池分析、建模和原型(CAMP)設施,讓我們獲益匪淺,幫助我們解讀MESA的物質構成。”
  
  同時,阿貢研究人員重點觀察MESA電解液的工作過程。在充電過程中,電解液中的金屬陽離子添加劑,隨著鋰離子遷移到硅基負極,形成鋰金屬硅相,比鋰硅相更穩定。在新型電池化學反應過程中,硅負極和電解液之間極少產生有害副作用。經過證明,在電池中測試的四種金屬鹽中,添加Mg2+或Ca2+的電解質鹽,在數百次充放電循環中效果最佳。這類電池的能量密度比同類石墨電池高出50%。
  
  Key表示:“根據測試結果,我們完全有理由相信,這項發明將起到推動作用,使硅負極取代石墨,或者與石墨一起構成負極(濃度略超過石墨幾個百分點),并可能產生深遠的影響。”
 
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