最近，工程師們創造了一種新型的電池，將兩個十分有前景的電池子領域“硅負極”和“全固態電解質”組成起來變成了“硅全固態電池”。最初幾輪測試表明，這種新電池足夠安全、持久、且能量密集，因此有希望在從電網存儲到電動汽車的廣泛領域中得到應用。該技術已發表在2021年9月24日的《科學》雜志上。

硅負極的優勢與缺陷

硅負極一向以其能量密度而聞名，比當今最常使用的石墨負極高出10倍，因此幾十年來科學家和電池制造商一直致力于把硅作為一種高能量密度的材料，用來混合或完全取代鋰離子電池中常規的石墨負極。

但硅負極也有著很大的缺陷，大部分是由于硅陽極和它們所配對的液體電解質之間的相互作用引起的，同時在充放電過程中，硅顆粒的大體積膨脹也會使情況變得更加復雜。隨著時間的推移，這些缺陷會導致嚴重的容量損失問題，因此以硅為負極材料的電池在保持性能的同時能夠充放電的次數不夠高，因此商業應用一直受限。

“作為電池研究人員，解決系統中的根本問題至關重要。對于硅負極，我們知道最大的問題之一是液態電解質界面的不穩定性，”加州大學圣地亞哥分校納米工程學教授Shirley Meng說，她是《科學》雜志論文的通訊作者，同時也是加州大學圣地亞哥分校材料發現與設計研究所的主任。“我們需要一種完全不同的方法，”Meng表示。

全固態電解質出馬

研究小組為了解決以上問題，嘗試著去除了液態電解質，并改用以硫化物為基礎的固體電解質，同時去除硅負極上的碳和粘結劑。他們的實驗表明，這種固體電解質在全硅陽極電池中極為穩定。“這項新工作為硅陽極問題提供了一個很有前途的解決方案，盡管還有更多的工作要做。”Shirley Meng教授說，“我認為這個項目是對加州大學圣地亞哥分校電池研究方法的驗證。”

通過將液態電解質換成固態電解質，研究人員避免了一系列相關的挑戰，同時通過消除負極中的碳，研究小組顯著減少了與固體電解質的界面接觸和不必要的副反應，避免了液基電解質容易出現的連續電容損失問題。此外，常見固態電池使用的鋰負極對于電池的充電率也有限制，而且在充電時需要升高溫度。硅負極則能克服這些限制，允許電池在室溫到低溫下有更快的充電速率，同時保持高能量密度，可謂是一舉多得。

最后，該團隊展示了一個實驗室規模的全電池，在室溫下可進行500次充放電循環，容量保持率為80%，這對硅負極和固態電池界來說都是令人興奮的進展。

總結

“固態硅方法克服了傳統電池的許多局限性。這為我們提供了激動人心的機會，以滿足市場對更高能量密度、更低成本和更安全的電池的需求，特別是在電網能源儲存方面，”《科學》雜志的第一作者Darrenh. s. Tan 說。

LG能源解決方案公司總裁兼首席采購官Myung-hwanKim表示：“LG能源解決方案公司很高興加州大學圣地亞哥分校對電池技術的最新研究發表在《科學》雜志上，這是一個有意義的承認。根據最新的發現，LG能源解決方案更接近于實現全固態電池技術，這將極大地豐富我們的電池產品陣容。”

來源：azom

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