眾所周知,硅負極具有高能量密度,比目前廣泛應用于商業鋰離子電池的石墨負極高出十倍。然而,硅負極在電池充電和放電過程中體積膨脹收縮、與液體電解質接觸后性能下降的問題同樣備受詬病。這些問題導致具備能量密度優勢的全硅負極科研成果轉化之路困難重重。

固態電池

工程師們發明了一種將兩個前景樂觀的電池子分支領域結合在一起的新型電池,即集固態電解質和全硅負極為一體的純硅全固態電池。根據初步測試結果,這種新型電池具有安全性能高、續航能力強、高能量密度的特性,未來可廣泛應用于電網存儲和電動汽車等領域。

此項電池技術發表于2021年9月24日出版的《科學》期刊,該研究由加州大學圣地亞哥分校納米技術工程師們主要負責,LG新能源( LG Energy Solution )研究人員參與其中。

眾所周知,硅負極具有高能量密度,比目前廣泛應用于商業鋰離子電池的石墨負極高出十倍。然而,硅負極在電池充電和放電過程中體積膨脹收縮、與液體電解質接觸后性能下降的問題同樣備受詬病。這些問題導致具備能量密度優勢的全硅負極科研成果轉化之路困難重重。總部位于紐約的《科學》雜志讓公眾了解到全硅負極的美好前景,而這要歸功于正確電解質的使用。

下一代高能量密度全固態電池一直依賴于金屬鋰作為負極,但這會帶來電池充電率和充電溫度條件(通常需要60攝氏度以上)的限制。全硅負極克服了所有這些問題,在保證高能量密度不受影響的前提下,提高了室溫或低于室溫環境中的充電速度。

研究團隊成功證明,實驗室用完整電池單體能夠完成500次充放電循環,室溫條件下容量保持率達到80%,這在硅負極和全固態電池領域可謂進步喜人。

硅負極替代石墨負極

當然,硅負極并非新生概念。過去幾十年,科學家們和電池生產商將硅視作一種高能量密度材料,可以與鋰離子電池中的傳統石墨負極進行結合,甚至取而代之。理論上,硅的能量密度比石墨高出近10倍。實際應用中,高能量密度硅負極鋰離子電池卻往往會在性能上打折扣:尤其在保持電池性能的前提下電池的充放電次數差強人意。

大部分問題是在硅負極和液體電解質發生反應的過程中產生。當硅離子在充放電過程中大量增加時,情況更為復雜,隨著時間推移最終導致嚴重容量損耗。

加州大學圣地亞哥分校材料發現與設計研究所負責人,納米工程教授孟穎(Shirley Meng)是本篇論文的通訊作者,她表示:“作為電池研究人員,解決系統根本問題至關重要。就硅負極而言,我們知道關鍵問題在于液體電解質界面的不穩定。我們需要一種全新的方法?!?br/>

加州大學圣地亞哥分校領導的團隊的確另辟蹊徑:他們去除了全硅負極中的碳和粘結劑,并使用比常用的納米硅更加原生態、成本更低的微硅。

全固態電池解決方案

除了去除負極中所有的碳和粘結劑以外,團隊也使用以硫化物為基礎的固體電解質代替液體電解質。試驗結果表明,這種固體電解質在純硅負極電池中極其穩定。

孟教授表示:“盡管前途漫漫,這項新工作為解決硅負極問題提供了前景美好的解決方案。我認為,該項目是對我們在加州大學圣地亞哥分校所做的電池研究方法的驗證。我們將最為嚴苛的理論和試驗工作與我們的創造力和創新性思維有機結合,也知道在解決根本性困難的過程中如何與行業合作伙伴打交道?!?/p>

過去將硅基負極轉化成商業成果的努力主要集中在硅-石墨復合材料,或者將納米結構的粒子與聚合物粘結劑加以結合,兩種方式在穩定性方面的表現依然無法達到理想水平。

通過用固體電解質代替液體電解質,去除硅負極中的碳和粘結劑,研究者們克服了電池工作時負極完全浸泡在有機液體電解質中所帶來的一系列挑戰。

同時,去除負極中的碳之后,團隊大大減少了負極與固體電解質的界面接觸,避免出現往往存在于液體電解質中的持續能量損耗問題。

這兩方面的努力幫助研究者們充分利用了硅的成本低下、能源密度高和環境污染小等屬性。

影響&商業化衍生

論文第一作者達倫·譚(Darren H. S. Tan)表示:“固態硅方式打破了傳統電池的許多限制,讓我們看到很多激動人心的機會,能夠滿足市場對于能量密度高、成本低下,安全性好的電池需求,這對于電網能儲領域尤為重要?!?/p>

以硫化物為基礎的固體電解質往往穩定性極差。然而,這是基于液體電解質系統的傳統熱力學解釋,忽略了固體電解質的動力學穩定性。研究團隊認為,這種屬性打破直覺,也給我們帶來了機會,發明具有高度穩定性的負極。

初創公司UNIGRID Battery首席執行官兼聯合創始人達倫·譚(Darren H. S. Tan)已經為純硅全固態電池技術申請商業許可。

同時,加州大學圣地亞哥分校將會繼續開展基礎性工作,包括與LG新能源進一步的研究合作。

LG新能源總裁兼首席采購官Myung-hwan Kim表示:“LG新能源很高興看到與加州大學圣地亞哥分校有關電池技術的最新研究成果在《科學》期刊發表,這種認可具有重大意義。有了這項新發現,LG新能源在實現全固態電池工藝的道路上又往前邁出了一步,進而也將豐富我們的電池系列產品?!?br/>

他補充說道:“作為領先的電池生產商,LG新能源將繼續利用前沿技術,引領下一代電池單體研究?!盠G 新能源表示,計劃進一步擴大與加州大學圣地亞哥分校在全固態電池方面的研究合作。

此項研究得到LG新能源支持電池相關研究的“開放創新”項目(Open Innovation)的資助。LG新能源致力于與全球各地的研究者們保持合作,為共同開發相關技術作出努力。

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[責任編輯:趙卓然]
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