新型纯硅阳极制造高性能全固态电池。

新型纯硅阳极制造高性能全固态电池。
工程师们创造了一种新型电池，将两个有前途的电池子领域编织成一个电池。该电池同时使用固体电解质和全硅负极，从而成为全硅固态电池。最初的几轮测试表明，新电池安全、耐用且能耗高。它有望用于从电网存储到电动汽车的广泛应用。
2021 9月24日出版的《科学》杂志对电池技术进行了描述。加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师和LG能源解决方案的研究人员领导了这项研究。
硅阳极以其能量密度而闻名，是当今商业锂离子电池中最常用的石墨阳极的10倍。另一方面，硅阳极因其在电池充电和放电过程中如何膨胀和收缩，以及如何与液体电解质降解而臭名昭著。尽管能量密度很有吸引力，但这些挑战使所有硅阳极不可能用于商业锂离子电池。多亏了正确的电解质，这项发表在《科学》杂志上的新工作为全硅阳极提供了一条有前途的道路。
纯硅阳极全固态电池
1） 全固态电池由正极复合层、硫化物固体电解质层和无碳微硅阴极组成。2） 在充电之前，离散的微硅颗粒形成能量密集型阳极。在电池充电期间，正锂离子从阴极移动到阳极，形成稳定的二维界面。3） 随着更多的锂离子进入阳极，它们与微硅发生反应，形成相互连接的锂硅合金（Li-Si）颗粒。反应继续在整个电极上扩散。4） 该反应使微硅颗粒膨胀并致密化，形成紧凑的锂硅合金电极。Li-Si合金和固体电解质的机械性能在保持二维界面的完整性和接触方面起着重要作用。
该论文的主要作者达伦·H·S·谭（Darren H.S.Tan）表示：“通过这种电池配置，我们为使用硅等合金阳极的固态电池开辟了一个新的领域。”。他最近在加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院完成了化学工程博士学位，并与他人共同创办了一家新公司UNIGRID Battery，该公司已获得该技术的许可。
下一代具有高能量密度的固态电池一直依赖金属锂作为阳极。但这限制了电池的充电速度，以及充电过程中需要升高温度（通常为60摄氏度或更高）。硅阳极克服了这些限制，在室温到低温下允许更快的充电速率，同时保持高能量密度。
该团队展示了一种实验室规模的全电池，可提供500次充电和放电循环，并在室温下保持80%的容量，这代表了硅阳极和固态电池界取得的令人兴奋的进展。
硅代替石墨作为阳极
当然，硅阳极并不新鲜。几十年来，科学家和电池制造商一直将硅视为一种能量密集型材料，可以混合或完全替代锂离子电池中的传统石墨阳极。理论上，硅的存储容量大约是石墨的10倍。然而，在实践中，将硅添加到阳极以提高能量密度的锂离子电池在现实世界中经常遇到性能问题：特别是，在保持性能的同时，电池的充放电次数不够高。
大部分问题是由硅阳极和它们配对的液体电解质之间的相互作用引起的。在充电和放电过程中，硅颗粒的大体积膨胀使情况变得复杂。随着时间的推移，这会导致严重的容量损失。
“作为电池研究人员，解决系统中的根本问题至关重要。对于硅阳极，我们知道其中一个大问题是液体电解质界面的不稳定性，”加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授、《科学》论文的通讯作者、加州大学圣地亚哥材料发现与设计研究所所长雪莉·孟说。孟说：“我们需要一种完全不同的方法。”。
事实上，加州大学圣地亚哥分校领导的团队采取了不同的方法：他们消除了所有硅阳极中的碳和粘合剂。此外，研究人员还使用了微硅，与更常用的纳米硅相比，微硅加工更少，成本更低。