科学家通过使用硅阳极涂层优化预锂化来提高电池寿命

慧正资讯：莱斯大学乔治布朗工程学院的科学家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改善电池寿命周期。

阳极喷涂法

硅阳极电池具有彻底改变储能能力的潜力，这是实现气候目标和释放电动汽车全部潜力的关键。然而，硅阳极中锂离子的不可逆损耗严重制约了下一代锂离子电池的发展。

莱斯大学化学和生物分子实验室的工程师Sibani Lisa Biswal发现，在阳极上喷涂颗粒和表面活性剂的混合物，可以使电池寿命延长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，有一个缺点。当以满容量循环时，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。

在锂离子电池中，用硅代替石墨将显著提高其能量密度，即相对于重量和尺寸存储的能量存储量。因为石墨是由碳构成的，它能容纳的锂离子比硅少。每个锂离子需要6个碳原子，而仅一个硅原子就可以与多达四个锂离子结合。

“硅是能够真正提高锂离子电池阳极能量密度的材料之一，”Biswal说。“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。”

SEI层消耗锂

然而，硅的其他特性也带来了挑战。Biswal继续说道： “硅的主要问题之一是它会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中断，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。

“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。”

锂离子损失的战略补偿

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，就像你在粉刷墙壁时，你需要先涂一层底漆以确保涂料粘住。预锂化使我们能够‘预充’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开发的新工艺的一个方面是使用表面活性剂来帮助分散颗粒，”Biswal补充道。“以前没有报道过这一点，这使得可以实现均匀的分散。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。”

控制电池的循环容量

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说道。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评论道。“但如果你让电池在均匀分布的涂层下循环，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，”Nguyen补充道。