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研究發(fā)現(xiàn)硅陽極聚合物涂層 可提高鋰電池容量

時間:2021-02-11 15:54來源:蓋世汽車 作者:劉麗婷
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（圖片來源： ACS Applied Energy Materials ）
 
      盡管硅陽極可以大大提高鋰離子電池容量，但電池使用性能迅速降低。聚合物涂層可以解決這一問題，但卻很少有研究探索其潛在機(jī)理。據(jù)悉，北陸先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)(JAIST)的科學(xué)家對聚合物（硼硅氧烷）涂層是如何極大地穩(wěn)定硅陽極容量的原因進(jìn)行了研究，有助于發(fā)明更好且更耐用的鋰離子電池，并可應(yīng)用于電動汽車和可再生能源儲存器。
 
      鋰離子電池（LIB）自出現(xiàn)就一直在不斷地改進(jìn)和適應(yīng)，可適用于移動設(shè)備、電動汽車以及可再生能源收集存儲單元等應(yīng)用。在大型應(yīng)用中（如后兩種），LIB研究的重點為在不改變整體尺寸的情況下增加容量和電壓極限。因此，必須更換電池組件和材料。
 
      許多研究人員認(rèn)為硅陽極比傳統(tǒng)石墨陽極更具潛能。電池陽極在充電時會存儲鋰離子，而當(dāng)使用電池時，鋰離子就會通過電解液移動到陰極。硅是目前非常有潛力的陽極材料，可將LIB容量提高近十倍，但它也帶來了一系列問題。因此將硅陽極商業(yè)化之前，必須解決這些問題。
 
      在期刊ACS Applied Energy Materials發(fā)表的一項最新研究表明，JAIST的科研小組通過采用一種聚合物涂層：聚（硼硅氧烷）（PBS）解決了上述問題。該研究由Noriyoshi Matsumi教授領(lǐng)導(dǎo)，JAIST博士生Sai Gourang Patnaik和Tejkiran Pindi Jayakumar共同完成。
 
      聚合物涂層解決了硅陽極的最大問題之一，即形成過大的固體電解質(zhì)中間相（SEI）。電解質(zhì)和陽極之間自發(fā)形成SEI對電池長期性能至關(guān)重要。但是，硅等材料的使用，往往會導(dǎo)電池體積膨脹，并連續(xù)形成SEI從而耗盡可用電解質(zhì)。這必然削弱電池性能，且電池容量也會逐漸大幅下降。
 
      聚合物涂層在此就可發(fā)揮作用。它們可以防止在硅上形成過多的SEI，并形成人造且穩(wěn)定的SEI。研究人員指出PBS作為硅陽極涂層極具潛力，但之前并未有研究對其作用機(jī)理作出清晰解釋。如Matsumi教授所說：“對基于PBS且定義明確的聚合物的相關(guān)報道很少，不能為其應(yīng)用和反應(yīng)提供足夠的機(jī)械依據(jù)。因此，我們希望可以評估并闡明聚合物涂層對硅陽極的作用：聚合物涂層不僅可作為自修復(fù)的人造界面，還可以防止有害的體積膨脹。”
 
      該團(tuán)隊從穩(wěn)定性、容量和界面特性等方面，對有聚合物涂層和沒有聚合物涂層的硅陽極的短期和長期性能進(jìn)行了對比。通過一系列的電化學(xué)測量和理論計算，他們了解到PBS是如何幫助穩(wěn)定硅陽極容量。
 
      與裸露的硅陽極和涂有聚偏二氟乙烯（在LIB中使用的商用涂層）的陽極相比，PBS的自愈特性及其可逆的鋰離子容納性顯著提高了電池穩(wěn)定性，部分原因為PBS能夠在操作過程中填補(bǔ)SEI裂紋。不同于其他兩個陽極，涂有PBS硅陽極的電池充電300多個循環(huán)后，其容量仍幾乎保持不變。
 
      通過解決與硅陽極相關(guān)主要問題，本研究為具有更高容量和耐久性的新一代LIB鋪平了道路。Matsumi教授對研究結(jié)果非常滿意，并表示：“廣泛應(yīng)用大容量LIB，將提高電動汽車?yán)m(xù)航里程，支持更大的無人機(jī)，還可以提高可再生能源的存儲效率。”他還補(bǔ)充說，十年內(nèi)，LIB甚至可作為二次能源，用于火車、輪船和飛機(jī)等大型車輛中。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
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