众所周知,硅负极具有高能量密度,比目前广泛应用于商业锂离子电池的石墨负极高出十倍。然而,硅负极在电池充电和放电过程中体积膨胀收缩、与液体电解质接触后性能下降的问题同样备受诟病。这些问题导致具备能量密度优势的全硅负极科研成果转化之路困难重重。

固态电池

工程师们发明了一种将两个前景乐观的电池子分支领域结合在一起的新型电池,即集固态电解质和全硅负极为一体的纯硅全固态电池。根据初步测试结果,这种新型电池具有安全性能高、续航能力强、高能量密度的特性,未来可广泛应用于电网存储和电动汽车等领域。

此项电池技术发表于2021年9月24日出版的《科学》期刊,该研究由加州大学圣地亚哥分校纳米技术工程师们主要负责,LG新能源( LG Energy Solution )研究人员参与其中。

众所周知,硅负极具有高能量密度,比目前广泛应用于商业锂离子电池的石墨负极高出十倍。然而,硅负极在电池充电和放电过程中体积膨胀收缩、与液体电解质接触后性能下降的问题同样备受诟病。这些问题导致具备能量密度优势的全硅负极科研成果转化之路困难重重。总部位于纽约的《科学》杂志让公众了解到全硅负极的美好前景,而这要归功于正确电解质的使用。

下一代高能量密度全固态电池一直依赖于金属锂作为负极,但这会带来电池充电率和充电温度条件(通常需要60摄氏度以上)的限制。全硅负极克服了所有这些问题,在保证高能量密度不受影响的前提下,提高了室温或低于室温环境中的充电速度。

研究团队成功证明,实验室用完整电池单体能够完成500次充放电循环,室温条件下容量保持率达到80%,这在硅负极和全固态电池领域可谓进步喜人。

硅负极替代石墨负极

当然,硅负极并非新生概念。过去几十年,科学家们和电池生产商将硅视作一种高能量密度材料,可以与锂离子电池中的传统石墨负极进行结合,甚至取而代之。理论上,硅的能量密度比石墨高出近10倍。实际应用中,高能量密度硅负极锂离子电池却往往会在性能上打折扣:尤其在保持电池性能的前提下电池的充放电次数差强人意。

大部分问题是在硅负极和液体电解质发生反应的过程中产生。当硅离子在充放电过程中大量增加时,情况更为复杂,随着时间推移最终导致严重容量损耗。

加州大学圣地亚哥分校材料发现与设计研究所负责人,纳米工程教授孟颖(Shirley Meng)是本篇论文的通讯作者,她表示:“作为电池研究人员,解决系统根本问题至关重要。就硅负极而言,我们知道关键问题在于液体电解质界面的不稳定。我们需要一种全新的方法。”

加州大学圣地亚哥分校领导的团队的确另辟蹊径:他们去除了全硅负极中的碳和粘结剂,并使用比常用的纳米硅更加原生态、成本更低的微硅。

全固态电池解决方案

除了去除负极中所有的碳和粘结剂以外,团队也使用以硫化物为基础的固体电解质代替液体电解质。试验结果表明,这种固体电解质在纯硅负极电池中极其稳定。

孟教授表示:“尽管前途漫漫,这项新工作为解决硅负极问题提供了前景美好的解决方案。我认为,该项目是对我们在加州大学圣地亚哥分校所做的电池研究方法的验证。我们将最为严苛的理论和试验工作与我们的创造力和创新性思维有机结合,也知道在解决根本性困难的过程中如何与行业合作伙伴打交道。”

过去将硅基负极转化成商业成果的努力主要集中在硅-石墨复合材料,或者将纳米结构的粒子与聚合物粘结剂加以结合,两种方式在稳定性方面的表现依然无法达到理想水平。

通过用固体电解质代替液体电解质,去除硅负极中的碳和粘结剂,研究者们克服了电池工作时负极完全浸泡在有机液体电解质中所带来的一系列挑战。

同时,去除负极中的碳之后,团队大大减少了负极与固体电解质的界面接触,避免出现往往存在于液体电解质中的持续能量损耗问题。

这两方面的努力帮助研究者们充分利用了硅的成本低下、能源密度高和环境污染小等属性。

影响&商业化衍生

论文第一作者达伦·谭(Darren H. S. Tan)表示:“固态硅方式打破了传统电池的许多限制,让我们看到很多激动人心的机会,能够满足市场对于能量密度高、成本低下,安全性好的电池需求,这对于电网能储领域尤为重要。”

以硫化物为基础的固体电解质往往稳定性极差。然而,这是基于液体电解质系统的传统热力学解释,忽略了固体电解质的动力学稳定性。研究团队认为,这种属性打破直觉,也给我们带来了机会,发明具有高度稳定性的负极。

初创公司UNIGRID Battery首席执行官兼联合创始人达伦·谭(Darren H. S. Tan)已经为纯硅全固态电池技术申请商业许可。

同时,加州大学圣地亚哥分校将会继续开展基础性工作,包括与LG新能源进一步的研究合作。

LG新能源总裁兼首席采购官Myung-hwan Kim表示:“LG新能源很高兴看到与加州大学圣地亚哥分校有关电池技术的最新研究成果在《科学》期刊发表,这种认可具有重大意义。有了这项新发现,LG新能源在实现全固态电池工艺的道路上又往前迈出了一步,进而也将丰富我们的电池系列产品。”

他补充说道:“作为领先的电池生产商,LG新能源将继续利用前沿技术,引领下一代电池单体研究。”LG 新能源表示,计划进一步扩大与加州大学圣地亚哥分校在全固态电池方面的研究合作。

此项研究得到LG新能源支持电池相关研究的“开放创新”项目(Open Innovation)的资助。LG新能源致力于与全球各地的研究者们保持合作,为共同开发相关技术作出努力。

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[责任编辑:赵卓然]
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