阿贡团队开发出新电解质 提升锂离子电池中硅负极的性能

为了生产新一代锂离子电池，数十年来，科学家们一直在寻找新型电极材料和电解质。他们的目标是提高电池的储能能力，使其寿命更长，成本更低，也更安全。有了新一代电池，电动汽车有望进一步普及，并通过更加廉价可靠的储能方式，加速电网向可再生能源扩张。
对科学家们来说，硅负极已成为取代当前石墨负极的首选材料。从理论上来说，硅具有明显的储能优势，其锂存储量几乎是石墨的10倍。而且，这种物质的成本低，更具商业吸引力。作为地壳中第二大元素，硅元素在计算和通信硬件中应用广泛，已具备一系列加工技术。但是，阿贡化学科学与工程部门(CSE)的高级化学家JackVaughey指出，“硅负极的应用，仍然存在一定障碍。在循环过程中，锂离子电池的硅基负极与电解液剧烈反应。长此以住，会导致电池退化，循环寿命缩短。”
目前，锂离子电池电解液中的溶剂混合物，包括一种溶解的锂盐，以及有机添加剂(通常超过三种，至少一种)。阿贡的科学家们提出新策略，对电解液添加剂进行独特设计，使少量的另外一种盐中，含有一种二价或三价金属阳离子，比如Mg2+、Ca2+、Zn2+或Al3+。这类增强型电解质混合物，统称为“MESA”(mixed-saltelectrolytesforsiliconanodes，代表用于硅负极的混合盐电解质)，可以增加硅负极的表面和整体稳定性，改善长期循环和使用寿命。CSE部门化学技师BarisKey表示：“我们通过带有标准商业化电极的完整电池，对MESA进行全面测试。这种新型化学物质结构简单，具有可伸缩性，与现有电池技术完全兼容。”
Vaughey补充道，“在这个项目中，阿贡的电池分析、建模和原型(CAMP)设施，让我们获益匪浅，帮助我们解读MESA的物质构成。”
同时，阿贡研究人员重点观察MESA电解液的工作过程。在充电过程中，电解液中的金属阳离子添加剂，随着锂离子迁移到硅基负极，形成锂金属硅相，比锂硅相更稳定。在新型电池化学反应过程中，硅负极和电解液之间极少产生有害副作用。经过证明，在电池中测试的四种金属盐中，添加Mg2+或Ca2+的电解质盐，在数百次充放电循环中效果最佳。这类电池的能量密度比同类石墨电池高出50%。
Key表示：“根据测试结果，我们完全有理由相信，这项发明将起到推动作用，使硅负极取代石墨，或者与石墨一起构成负极(浓度略超过石墨几个百分点)，并可能产生深远的影响。”