中国研究人员开发新型预锂化技术 提升锂离子电池的性能-即时看

(资料图片)

为了进一步提高锂离子电池的性能，电池制造商需要开发更好的负极，以替代常用的石墨。其中一氧化硅具有高比容量（放电率），并且地壳储量丰富，非常有望用于下一代高功率锂离子电池。

然而，一氧化硅也存在一系列的缺点，尤其是其固有电导率低，以及在充放电循环过程中会发生巨大的尺寸（体积）变化。高达300%的体积变化，会使负极材料受到损害和脱落，从根本上降低性能。

复旦大学上海分子催化与功能材料重点实验室（Shanghai Key Laboratory of Molecular Catalysis and Innovative Materials）的电化学家傅正文表示：“如果将一氧化硅与碳结合在一种复合材料中，形成现有石墨负极材料和下一代硅基负极的混合体，可能会取得成功。这种复合材料兼具二者的优点，但仍有许多障碍需要克服。”

碳具有高导电性和结构稳定性，在循环过程中的体积膨胀也小得多，其灵活性和润滑能力有助于抑制硅的体积膨胀。总体而言，这种复合负极具有良好的容量和高循环性能。

然而，解决一组问题只会产生另一组问题，一氧化硅-碳复合负极的库仑效率相对较差。在锂离子电池使用一氧化硅-碳复合负极的第一个循环中，一些锂与复合材料发生不可逆的反应，从而产生“降解产物”，在负极表面和电解质之间形成固体电解质界面层（SEI）。这种寄生的“锂化”过程，反过来会导致活性锂和库仑效率的损失。

据外媒报道，为了克服这些挑战，研究人员开发了一种新的“预锂化”技术，提前在电池中存储额外的锂，以补偿在电池循环过程中被寄生反应消耗的锂。其他研究人员也开发过预锂化技术，通常涉及纯金属锂、改性金属锂或含锂化合物，这些方法都具有局限性，例如在循环过程中含锂化合物可能在锂化后释放气体，从而降低负极的性能和电池的整体能量密度。

研究人员称这项新的预锂技术为“锂固态腐蚀”（solid-state corrosion of lithium），用含碳氮氧化磷锂（LiCPON）组成的固体电解质取代电解液，从而解决这类问题。这样不仅避免了金属锂发生各种不必要的副反应，而且在负极和电解质之间产生了更好的界面。

研究人员通过三种实时观察电化学反应的不同方法，包括光学成像、电子显微镜和X射线衍射，研究固态腐蚀预锂化过程能否如预期进行。与使用电解液的预锂化电极相比，这项技术使负极的预锂化效率提高了近83%。

研究人员已经使用纽扣电池验证了这一概念，现希望通过工业级电池来演示这一过程。