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硅阳极助力电池技术

硅是数字革命的重要组成部分,它在此时此刻可能离您的眼睛只有几英寸的设备上分流大量信号。现在,同样丰富、廉价的材料正成为在蓬勃发展的电池业务中扮演重要角色的重要候选者。它特别有吸引力,因为它能够在电池的一个重要部分(阳极)中容纳 10 倍的能量,这是广泛使用的石墨的10 倍。

但没那么快。虽然硅在科学家中享有盛誉,但当它成为电池的一部分时,材料本身就会膨胀。它膨胀得太厉害以至于阳极剥落和破裂,导致电池失去保持电荷的能力并最终失效。

现在科学家们首次目睹了这一过程,这是使硅成为可行选择的重要一步,可以提高电动汽车以及手机、笔记本电脑、智能手表和其他小工具的电池的成本、性能和充电速度。

美国能源部太平洋西北国家实验室的科学家王崇民说:“很多人都想象过可能会发生什么,但之前没有人实际证明过。” 王是最近发表在《自然纳米技术》上的论文的通讯作者。

硅阳极、花生酱杯和包装好的航空旅客

锂离子是锂离子电池中的能量货币,通过称为电解质的液体在两个电极之间来回移动。当锂离子进入由硅制成的阳极时,它们会进入有序的结构,将硅原子推向歪斜,就像一个肥胖的航空公司乘客在拥挤的航班上挤进中间座位一样。这种“锂挤压”使阳极膨胀到原来尺寸的三四倍。

当锂离子离开时,事情不会恢复正常。称为空缺的空白空间仍然存在。移位的硅原子填补了许多(但不是全部)空缺,就像当中间的乘客前往洗手间时,乘客迅速收回空的空间。但是锂离子又回来了,再次进入。随着锂离子在阳极和阴极之间来回移动,该过程不断重复,硅阳极中的空隙合并形成空隙或间隙。这些差距转化为电池故障。

多年来,科学家们已经知道这个过程,但他们之前并没有确切地目睹它是如何导致电池故障的。一些人将失败归因于硅和锂的损失。其他人则归咎于一种称为固体电解质中间相或 SEI 的关键成分的增稠。SEI 是阳极边缘的精细结构,是阳极和液体电解质之间的重要通道。

在其实验中,该团队观察到锂离子在硅阳极中留下的空位演变成越来越大的间隙。然后他们看着液态电解质像沿着海岸线的细小溪流一样流入缝隙,渗入硅。这种流入使 SEI 在硅内不应该存在的区域发展,这是它不属于电池部分的分子入侵者。

这造成了死区,破坏了硅储存锂的能力并破坏了阳极。

想象一下原始形状的花生酱杯:外面的巧克力与里面的软花生酱截然不同。但是,如果您将它握在手中的时间过长且抓得过紧,外壳会变软并与里面的软巧克力混合。你只剩下一个无序的物质,它的结构发生了不可逆转的改变。你不再有一个真正的花生酱杯。同样,在电解质和 SEI 渗入硅后,科学家们不再有可用的阳极。

100 次循环后的硅阳极:阳极几乎无法识别为硅结构,而是来自固体电解质中间相的硅(绿色)和氟(红色)的混合物。图片来源:王崇敏 | 太平洋西北国家实验室

该团队见证了这个过程在一个电池循环后立即开始。36 次循环后,电池的充电能力急剧下降。100 次循环后,阳极被毁坏。

探索硅阳极的前景

科学家们正在研究保护硅免受电解质影响的方法。包括 PNNL 科学家在内的几个小组正在开发旨在充当看门人的涂层,允许锂离子进出阳极,同时阻止电解质的其他成分。

来自多个机构的科学家汇集了他们的专业知识来完成这项工作。洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家创造了研究中使用的硅纳米线。PNNL 科学家与 Thermo Fisher Scientific 的同行合作,修改了低温透射电子显微镜,以减少用于成像的电子造成的损害。宾夕法尼亚州立大学的科学家开发了一种算法来模拟液体和硅之间的分子作用。

总之,该团队使用电子来制作该过程的超高分辨率图像,然后以 3D 方式重建图像,类似于医生如何创建患者肢体或器官的 3D 图像。

“这项工作为开发硅作为高容量电池的阳极提供了清晰的路线图,”王说。

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