研究發現硅陽極聚合物涂層 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理。據悉，北陸先端科學技術大學院大學(JAIST)的科學家對聚合物（硼硅氧烷）涂層是如何極大地穩定硅陽極容量的原因進行了研究，有助于發明更好且更耐用的鋰離子電池，并可應用于電動汽車和可再生能源儲存器。
鋰離子電池（LIB）自出現就一直在不斷地改進和適應，可適用于移動設備、電動汽車以及可再生能源收集存儲單元等應用。在大型應用中（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。
許多研究人員認為硅陽極比傳統石墨陽極更具潛能。電池陽極在充電時會存儲鋰離子，而當使用電池時，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。因此將硅陽極商業化之前，必須解決這些問題。
在期刊ACS Applied Energy Materials發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教授領導，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中間相（SEI）。電解質和陽極之間自發形成SEI對電池長期性能至關重要。但是，硅等材料的使用，往往會導電池體積膨脹，并連續形成SEI從而耗盡可用電解質。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報道很少，不能為其應用和反應提供足夠的機械依據。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的人造界面，還可以防止有害的體積膨脹。”
該團隊從穩定性、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行了對比。通過一系列的電化學測量和理論計算，他們了解到PBS是如何幫助穩定硅陽極容量。
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定性，部分原因為PBS能夠在操作過程中填補SEI裂紋。不同于其他兩個陽極，涂有PBS硅陽極的電池充電300多個循環后，其容量仍幾乎保持不變。
通過解決與硅陽極相關主要問題，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教授對研究結果非常滿意，并表示：“廣泛應用大容量LIB，將提高電動汽車續航里程，支持更大的無人機，還可以提高可再生能源的存儲效率。”他還補充說，十年內，LIB甚至可作為二次能源，用于火車、輪船和飛機等大型車輛中。
(責任編輯：子蕊)
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