蓋世汽車訊 據(jù)外媒報道，工程科學與力學和生物工程教授Sulin Zhang及其研究團隊開發(fā)出一種表征硅結構和化學演化的新方法，以及控制電池穩(wěn)定性的薄層，將有助于解決避免將硅用于高容量電池的問題。該研究的重點是陽極、負電極和電解質(zhì)的界面，這使得電荷能夠在陽極和陰極之間移動。固體電解質(zhì)中間相（SEI）層通常形成在固體電極和液體電解質(zhì)之間的電極表面上，對于電池中的電化學反應以及控制電池的穩(wěn)定性至關重要。使用硅作為陽極可以打造出更好的可充電電池。

（圖片來源：Jennifer M. Mccann）

Zhang稱：“在過去的10年間，硅作為可充電電池的高容量負極引起了很多關注。目前商業(yè)電池的負極材料主要使用的是石墨，但硅的容量大約是石墨的10倍。因此，全球有數(shù)千萬、甚至數(shù)億美元用于硅電池研究?！?/p>

這對于希望通過電動汽車和強大的便攜式電子設備實現(xiàn)基礎設施電氣化的社會而言，非常鼓舞人心，但也存在諸多挑戰(zhàn)。電池在充放電過程中，硅的體積會膨脹和收縮，從而導致硅材料開裂，因此SEI會一次次破碎再生，從而導致失去電接觸和容量（電池存儲的電荷量）下降。因此準確了解這個過程如何在結構和化學層面發(fā)生對于解決問題至關重要。

Zhang表示：“由于SEI層的穩(wěn)定性控制著電池的穩(wěn)定性，因此你不希望它不受控制地增長，從而消耗電解質(zhì)材料和活性鋰，使得電解液變干并損失活性材料，進而對電池性能產(chǎn)生不利影響?！?/p>

Zhang還表示：“SEI層對電池至關重要。但它非常薄，任何光學顯微鏡都看不到，并且在電池循環(huán)過程中會動態(tài)演變。當然，它可以被用于超納米級、非常薄的材料的透射電子顯微鏡觀察到。但由于需發(fā)送大量電子才能獲得材料成分的高分辨率圖像，而SEI層非常柔軟，很容易被電子束破壞.”

為了克服上述問題，研究人員使用了低溫掃描透射電子顯微鏡（cryo-STEM），并在使用cryo-STEM顯微鏡制備和成像期間將循環(huán)電極材料保持在低溫下，以最大限度地減少電子束對樣品的損壞。此外，他們還集成了用于3D成像的敏感元素斷層掃描，以及旨在以較低電子劑量捕獲圖像的高級算法，從而生成SEI-硅相互作用的3D視圖，并可在不同次數(shù)的電池循環(huán)后進行拍攝。

（視頻來源：賓夕法尼亞州立大學）

Zhang說：“我們方法的獨特之處在cryo-STEM成像和多物理過程建模。我們可以在電池循環(huán)運行后可視化硅和SEI的演變，同時，使用計算模擬重述循環(huán)期間的整個微觀結構演變過程。這正是此項研究的新穎之處?！?/p>

此項工作可以使人們更好地了解導致硅陽極中SEI層生長和不穩(wěn)定的機制。Zhang表示：“因此，隨著對SEI層生長機制的了解，我可以們對如何提高硅負極或電池設計的性能有更多想法，從而為下一代鋰電池打造出更堅固的硅陽極?！?/p>

Zhang認為下一代鋰電池將為行業(yè)和普通消費者帶來多重好處。Zhang表示：“硅的儲量豐富，可以降低電池的價格。此外，一旦可以使用硅作為具有長循環(huán)壽命的陽極，我們將大大提高可充電電池的容量?！?/p>

憑借對硅負極電池在充電和放電過程中SEI層演變的批判性理解，Zhang表示下一步將利用這些知識來幫助設計一種不會因循環(huán)而損失容量的硅負極電池。Zhang稱：“隨著對該潛在機制的了解，我們將產(chǎn)生一系列科學假設，隨后使用硅陽極進行測試，從而減輕與硅體積變化相關的不利影響。通過控制目前不可控的因素，我們可以設計出性能更好的硅電極。”

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