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中國研究人員開發(fā)新型預(yù)鋰化技術(shù) 提升鋰離子電池的性能

時間:2022-12-29 08:32來源:蓋世汽車作者:Elisha

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為了進一步提高鋰離子電池的性能，電池制造商需要開發(fā)更好的負(fù)極，以替代常用的石墨。其中一氧化硅具有高比容量（放電率），并且地殼儲量豐富，非常有望用于下一代高功率鋰離子電池。

然而，一氧化硅也存在一系列的缺點，尤其是其固有電導(dǎo)率低，以及在充放電循環(huán)過程中會發(fā)生巨大的尺寸（體積）變化。高達300%的體積變化，會使負(fù)極材料受到損害和脫落，從根本上降低性能。

復(fù)旦大學(xué)上海分子催化與功能材料重點實驗室（Shanghai Key Laboratory of Molecular Catalysis and Innovative Materials）的電化學(xué)家傅正文表示：“如果將一氧化硅與碳結(jié)合在一種復(fù)合材料中，形成現(xiàn)有石墨負(fù)極材料和下一代硅基負(fù)極的混合體，可能會取得成功。這種復(fù)合材料兼具二者的優(yōu)點，但仍有許多障礙需要克服。”

碳具有高導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在循環(huán)過程中的體積膨脹也小得多，其靈活性和潤滑能力有助于抑制硅的體積膨脹。總體而言，這種復(fù)合負(fù)極具有良好的容量和高循環(huán)性能。

然而，解決一組問題只會產(chǎn)生另一組問題，一氧化硅-碳復(fù)合負(fù)極的庫侖效率相對較差。在鋰離子電池使用一氧化硅-碳復(fù)合負(fù)極的第一個循環(huán)中，一些鋰與復(fù)合材料發(fā)生不可逆的反應(yīng)，從而產(chǎn)生“降解產(chǎn)物”，在負(fù)極表面和電解質(zhì)之間形成固體電解質(zhì)界面層（SEI）。這種寄生的“鋰化”過程，反過來會導(dǎo)致活性鋰和庫侖效率的損失。

據(jù)外媒報道，為了克服這些挑戰(zhàn)，研究人員開發(fā)了一種新的“預(yù)鋰化”技術(shù)，提前在電池中存儲額外的鋰，以補償在電池循環(huán)過程中被寄生反應(yīng)消耗的鋰。其他研究人員也開發(fā)過預(yù)鋰化技術(shù)，通常涉及純金屬鋰、改性金屬鋰或含鋰化合物，這些方法都具有局限性，例如在循環(huán)過程中含鋰化合物可能在鋰化后釋放氣體，從而降低負(fù)極的性能和電池的整體能量密度。

研究人員稱這項新的預(yù)鋰技術(shù)為“鋰固態(tài)腐蝕”（solid-state corrosion of lithium），用含碳氮氧化磷鋰（LiCPON）組成的固體電解質(zhì)取代電解液，從而解決這類問題。這樣不僅避免了金屬鋰發(fā)生各種不必要的副反應(yīng)，而且在負(fù)極和電解質(zhì)之間產(chǎn)生了更好的界面。

研究人員通過三種實時觀察電化學(xué)反應(yīng)的不同方法，包括光學(xué)成像、電子顯微鏡和X射線衍射，研究固態(tài)腐蝕預(yù)鋰化過程能否如預(yù)期進行。與使用電解液的預(yù)鋰化電極相比，這項技術(shù)使負(fù)極的預(yù)鋰化效率提高了近83%。

研究人員已經(jīng)使用紐扣電池驗證了這一概念，現(xiàn)希望通過工業(yè)級電池來演示這一過程。

(責(zé)任編輯：子蕊)

文章標(biāo)簽：鋰離子電池預(yù)鋰化技術(shù)

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