鋰離子電池已經(jīng)成為日常生活中不可或缺的一部分。不過，在這個(gè)能源緊缺的社會(huì)，仍需要壽命更長、充電速度更快以及重量更輕的電池，以滿足電動(dòng)汽車、便攜式電子產(chǎn)品等各種應(yīng)用的需求，甚至，還包括滿足軍隊(duì)減輕士兵負(fù)重的要求，因?yàn)檐婈?duì)也會(huì)采用大量的電子產(chǎn)品。
（圖片來源：馬里蘭大學(xué)）
目前的鋰離子電池都采用石墨作為陽極，容量相對(duì)較小，可以采用容量更大、對(duì)環(huán)境影響更小的硅陽極取代。雖然此研究方向很有前景，但是含有粒度較大硅陽極的電池往往壽命更短，一般充放電循環(huán)不到50次。當(dāng)研究人員嘗試采用硅、鋁和鉍等納米顆粒時(shí)，發(fā)現(xiàn)此類納米大小的合金陽極仍存在循環(huán)壽命短、成本高的問題。
據(jù)外媒報(bào)道，為此，美國馬里蘭大學(xué)（the University of Maryland）和陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（the Army Research Laboratory）的研究小組打造了一種能夠在硅上形成保護(hù)層的電解質(zhì)。該保護(hù)層非常穩(wěn)定，能夠承受硅陽極顆粒的膨脹。新型電解質(zhì)設(shè)計(jì)合理，且應(yīng)用了適當(dāng)?shù)幕驹?，為硅陽極粒子在保護(hù)層內(nèi)提供了膨脹的空間。
馬里蘭大學(xué)化學(xué)與生物分子工程系Ji Chen博士表示：“我們的研究證明，是有可能將硅、鋁和鉍顆粒作為鋰離子電池的陽極、并穩(wěn)定它們的循環(huán)壽命的，只是需要合理設(shè)計(jì)電解質(zhì)?！?
馬里蘭大學(xué)Xiulin Fan博士現(xiàn)為中國浙江大學(xué)教授，他表示：“電池的能量密度是由電極決定的，而電池的性能則受電解質(zhì)嚴(yán)格控制。我們?cè)O(shè)計(jì)的電解質(zhì)可以采用微型合金陽極，將顯著提高電池的能量密度?！?
目前硅陽極電解質(zhì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是形成一種均勻的聚合物層，即固體電解質(zhì)界面SEI，而且該SEI非常靈活，可與硅緊密結(jié)合。不過，由于聚合物SEI與硅之間有強(qiáng)鍵合作用，使得SEI的體積變化與陽極顆粒的體積變化相同，因此，在電池運(yùn)行過程中，陽極顆粒與SEI都會(huì)出現(xiàn)裂紋。
馬里蘭大學(xué)化學(xué)與生物分子工程系教授Chunsheng Wang表示：“經(jīng)過對(duì)硅電極進(jìn)行的廣泛研究，電池界已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，此種微型硅陽極不可用于商用鋰離子電池。但是，我們通過制造出一種與鋰化硅粘附性較差的陶瓷SEI，成功避免SEI發(fā)生損壞，而且該鋰化硅能夠在體積變化的過程中，在界面上重新移動(dòng)，不會(huì)損壞SEI。此種電解質(zhì)設(shè)計(jì)原理適用于所有合金陽極設(shè)計(jì)，為研發(fā)高能量電池提供了新機(jī)遇?！?
不過，研究人員表示，仍存在將該電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的挑戰(zhàn)，因?yàn)樵撾姵氐碾妷壕窒逓?.2V，仍需改進(jìn)。
