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研究發(fā)現(xiàn)硅陽(yáng)極聚合物涂層 可提高鋰電池容量

時(shí)間:2021-02-11 15:54來(lái)源:蓋世汽車 作者:劉麗婷
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（圖片來(lái)源： ACS Applied Energy Materials ）
 
      盡管硅陽(yáng)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(wèn)題，但卻很少有研究探索其潛在機(jī)理。據(jù)悉，北陸先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)(JAIST)的科學(xué)家對(duì)聚合物（硼硅氧烷）涂層是如何極大地穩(wěn)定硅陽(yáng)極容量的原因進(jìn)行了研究，有助于發(fā)明更好且更耐用的鋰離子電池，并可應(yīng)用于電動(dòng)汽車和可再生能源儲(chǔ)存器。
 
      鋰離子電池（LIB）自出現(xiàn)就一直在不斷地改進(jìn)和適應(yīng)，可適用于移動(dòng)設(shè)備、電動(dòng)汽車以及可再生能源收集存儲(chǔ)單元等應(yīng)用。在大型應(yīng)用中（如后兩種），LIB研究的重點(diǎn)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(rèn)為硅陽(yáng)極比傳統(tǒng)石墨陽(yáng)極更具潛能。電池陽(yáng)極在充電時(shí)會(huì)存儲(chǔ)鋰離子，而當(dāng)使用電池時(shí)，鋰離子就會(huì)通過(guò)電解液移動(dòng)到陰極。硅是目前非常有潛力的陽(yáng)極材料，可將LIB容量提高近十倍，但它也帶來(lái)了一系列問(wèn)題。因此將硅陽(yáng)極商業(yè)化之前，必須解決這些問(wèn)題。
 
      在期刊ACS Applied Energy Materials發(fā)表的一項(xiàng)最新研究表明，JAIST的科研小組通過(guò)采用一種聚合物涂層：聚（硼硅氧烷）（PBS）解決了上述問(wèn)題。該研究由Noriyoshi Matsumi教授領(lǐng)導(dǎo)，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(yáng)極的最大問(wèn)題之一，即形成過(guò)大的固體電解質(zhì)中間相（SEI）。電解質(zhì)和陽(yáng)極之間自發(fā)形成SEI對(duì)電池長(zhǎng)期性能至關(guān)重要。但是，硅等材料的使用，往往會(huì)導(dǎo)電池體積膨脹，并連續(xù)形成SEI從而耗盡可用電解質(zhì)。這必然削弱電池性能，且電池容量也會(huì)逐漸大幅下降。
 
      聚合物涂層在此就可發(fā)揮作用。它們可以防止在硅上形成過(guò)多的SEI，并形成人造且穩(wěn)定的SEI。研究人員指出PBS作為硅陽(yáng)極涂層極具潛力，但之前并未有研究對(duì)其作用機(jī)理作出清晰解釋。如Matsumi教授所說(shuō)：“對(duì)基于PBS且定義明確的聚合物的相關(guān)報(bào)道很少，不能為其應(yīng)用和反應(yīng)提供足夠的機(jī)械依據(jù)。因此，我們希望可以評(píng)估并闡明聚合物涂層對(duì)硅陽(yáng)極的作用：聚合物涂層不僅可作為自修復(fù)的人造界面，還可以防止有害的體積膨脹。”
 
      該團(tuán)隊(duì)從穩(wěn)定性、容量和界面特性等方面，對(duì)有聚合物涂層和沒(méi)有聚合物涂層的硅陽(yáng)極的短期和長(zhǎng)期性能進(jìn)行了對(duì)比。通過(guò)一系列的電化學(xué)測(cè)量和理論計(jì)算，他們了解到PBS是如何幫助穩(wěn)定硅陽(yáng)極容量。
 
      與裸露的硅陽(yáng)極和涂有聚偏二氟乙烯（在LIB中使用的商用涂層）的陽(yáng)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(wěn)定性，部分原因?yàn)镻BS能夠在操作過(guò)程中填補(bǔ)SEI裂紋。不同于其他兩個(gè)陽(yáng)極，涂有PBS硅陽(yáng)極的電池充電300多個(gè)循環(huán)后，其容量仍幾乎保持不變。
 
      通過(guò)解決與硅陽(yáng)極相關(guān)主要問(wèn)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(duì)研究結(jié)果非常滿意，并表示：“廣泛應(yīng)用大容量LIB，將提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程，支持更大的無(wú)人機(jī)，還可以提高可再生能源的存儲(chǔ)效率。”他還補(bǔ)充說(shuō)，十年內(nèi)，LIB甚至可作為二次能源，用于火車、輪船和飛機(jī)等大型車輛中。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
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