锂電池陽極的矽退化原因

TIME: 2022-01-27 新聞資訊

可充電的锂離子電池爲智能手機、平板電腦、筆記本電腦以及越來越多的電動汽車提供動力，是非常重要的産品，但是锂電池陽極中的矽快速退化和失效的問題嚴重制約了行業的發展。爲了解決這個問題，科學家和工程師正在開發新的電極材料，可以在相同的空間內儲存更多的锂。

其中一个有希望的解决方案是电池的负极（也称阳极）使用铝合金材料。例如，一磅的硅产生的“合金型”阳极，可以存储大约 10 磅石墨相同的锂，后者是目前在商业锂離子電池中使用的“插层型”（intercalation-type）阳极。这意味着用前者取代后者有可能使阳极轻 10 倍，并大大缩小。

盡管有這樣的優秀的表現，但是合金型陽極還沒有得到廣泛的采用。因爲當锂離子被插入陽極內的合金型矽顆粒時，這些顆粒開始膨脹並破裂，導致電池在僅僅幾個充電周期後就失效。縮小這些顆粒的尺寸，使其特征處于納米級–例如在納米多孔矽中–可以緩解這種退化，但實際的作用機制還沒有被完全理解。

發表于《ACS能源通訊》的一項研究中，賓夕法尼亞州工程公司的研究人員揭示了當合金型陽極充電和放電時在納米尺度上發生的複雜電化學過程。對目前阻礙這類有前途的儲能材料的降解行爲的更好理解，可以爲新的、更有效的電池設計打開大門。

在本研究之前，常规合金型阳极退化是如何发生的，其基本模型显示在本图的上半部分。当带有硅阳极的锂離子電池充电时，硅颗粒（浅蓝色）在吸收锂离子时物理性地增长。在这些含锂的硅颗粒（深蓝色）周围还形成了一层SEI，即固体电解质相（灰色），只是在电池放电时断开。

這項研究爲锂電池陽極的矽退化的原因提供了新的見解。在充電過程中，矽片被困在SEI中，當SEI在放電過程中與它分離時，原來的顆粒就變成了多孔的。隨著這個過程的重複，粒子的收縮越來越大，直到它最終散開。

锂離子電池通过正极（也被称为阴极）的锂与阳极材料之间的电化学反应来储存能量。在充电过程中，当锂离子实际进入阳极晶格中的空间时，它们与该材料结合，并在此过程中吸收电子；放电时，电池会移除锂，以便重复这一过程，但在合金型阳极的情况下，也会导致阳极材料增长并最终断裂。

在這些過程中，有多個中間步驟；了解它們在致密矽和納米多孔矽之間的不同，可能會對後者爲什麽能更好地抵禦降解提供一些提示。然而，對這些過程的密切調查一直受阻于在如此小的尺度上對相關矽結構進行成像的挑戰。

使用透射电子显微镜和X射线散射技术的独特组合来研究锂離子電池阳极在充电和放电过程中的退化。我们使用金而不是硅，因为金在电子显微镜成像过程中产生比硅更好的对比度。这可以清楚地检测到在充电和放电过程中在金电极上形成的固体电解质相间表面涂层，称为 SEI。金也比硅散射更多的X射线，这使得它更容易探测在这些过程中阳极结构的变化。

声明：本站部分文章及图片来源于互联网，如有侵权，请联系删除。

上一篇: 鎳氫電池和锂電池哪個耐用？

下一篇: 電動車汽車使用固態锂電池還會發生燃燒事故嗎？