高性能電解質解決了電池難題

鋰離子電池已經成為我們日常生活不可或缺的一部分。但是，我們的能源需求社會要求更長的壽命，更快的充電速度和更輕的電池，以用于從電動汽車到便攜式電子產品的各種應用，其中包括隨著陸軍采用大量電子產品來減輕士兵的負擔。

我們能接近更輕，更快充電的電池嗎?當前的鋰離子電池使用石墨作為負極，其具有相對低的容量，并且可以被具有高容量和低環境影響的硅負極代替。這是一個非常有前途的研究方向，但難以捉摸，因為帶有大粒徑硅陽極的電池壽命通常較短，通常少于50個循環。當研究人員嘗試使用硅，鋁和鉍的納米粒子時，他們發現這些納米級合金陽極仍然壽命短，成本高。王春生和他的同事們可能已經找到了解決這一降解問題的新方向：電解質。

馬里蘭大學和陸軍研究實驗室的團隊制造了一種電解質，該電解質可在硅上形成保護層，該保護層穩定并可以抵抗硅陽極顆粒中發生的溶脹。合理設計并采用了基本原理的新型電解液為Si提供了陽極顆粒空間，從而可以洞悉被保護層。研究結果于2020年4月20日發表在《自然能源》雜志上。

馬里蘭大學化學與生物分子工程學系論文的主要作者季吉博士說：“我們的研究證明，穩定循環硅，鋁和鉍粒子作為鋰離子是可行且可行的。電池陽極，簡單地采用合理設計的電解質，以前被認為是無法實現的。”

“電池的能量密度由電極決定，而電池的性能則由電解質嚴格控制。設計的電解質可以使用微型合金陽極，從而顯著提高電池的能量密度， ”馬里蘭大學的第一作者，現在是中國浙江大學的教授范秀林博士說。

奧萊格博士說：“目前通過分子建模和實驗相結合的努力，為合理設計電解液的新方向提供了一條清晰的道路，從而使高容量硅陽極具有較長的循環壽命，從而為開發戰斗人員的高能電池開辟了道路。” Borodin，來自陸軍研究實驗室的合作者。

當前用于硅陽極的電解質設計旨在形成稱為固態電解質界面或SEI的均勻聚合物層，該聚合物層具有柔韌性并與硅牢固結合。但是，聚合物SEI和硅之間的牢固結合迫使SEI具有與陽極顆粒相同的體積變化，因此在電池運行期間，顆粒和SEI均會破裂。

馬里蘭大學化學與生物分子工程學教授王春生說：“經過對硅電極的廣泛研究，電池界已經達成共識，微型硅陽極不能用于商用鋰離子電池。” “我們通過形成對鋰硅顆粒具有低親和力的陶瓷SEI成功地避免了SEI損壞，從而使鋰硅可以在體積變化過程中重新定位在界面上而不會損壞SEI。電解質設計原理適用于所有合金陽極，為開發高能電池提供了新的機會。”

Wang說，電解質的商業化仍然面臨挑戰，4.2V的電壓范圍仍然需要擴大。