创新的锂负极涂层技术 将提高电池稳定性与容量

电气化时代，在交通出行中选择新能源汽车的越来越多。近几年来，我国各级政府相继出台了一系列新能源汽车扶持政策，不断推动新能源汽车产业的发展。数据显示，截至2018年底，我国新能源汽车产销量累计超过300万辆，占全球总量的50%以上，持续四年产销量居世界第一。

新能源汽车的核心部件是电池，电池是决定电动汽车续航、价格、驾乘品质的关键所在。以纯电动汽车为例，电池除了供应动力来源外，电空调、电刹车、电转向三小电系统等也全部由动力锂电池来供应能源。在成本方面，现阶段占比达到了整车的30%~40%，是三大电系统(电池、电控、电机)中占比最高的部分，而传统能源汽车上的发动机大概占整车成本15%左右。

目前，新能源汽车大多用的是锂离子电池、磷酸铁锂离子电池等。一般认为，锂离子电池电动汽车在进行800次完全充放电后，电池将衰减到新电池的80%。同时，研究者们发现，当前锂离子电池储电容量已经快到极限，且其不耐撞、易起火爆炸等缺陷也对人身安全构成了威胁。

众所周知，锂离子电池的正极重要以锂为主，负极为石墨。在锂离子电池容量将到极限的当下，研究者们正在寻求新的突破，创新性地用比容量高、电化学电压低的锂金属取代石墨。但锂活性强，甚至比钠、镁等金属都还要高，会与电池内部的电解质相互反应，从而形成不均匀、易破碎的固态电解质界面(SolidElectrolyteInterface，SEI)。

正常情况下，SEI是锂离子的优良导体，能保护电池，避免发生不良反应，并让锂离子在电极与电解质之间来回游走。对锂离子电池性能来说，SEI是关键。若SEI性能不佳，电池会存在许多问题。

比如，不均匀的SEI会导致锂金属沉积，形成树状锂晶枝，进而造成电池容量损失、充放电效率降低或是刺穿绝缘层与短路，最终导致热失控，电池起火爆炸，而通常锂晶枝最容易在负极形成。

此外，锂金属很容易跟空气中的水分和氧化物起反应，在表面易形成氢气或是氢氧化锂等绝缘体，进一步降低电池的电化学性能，而氢气也会有燃烧与爆炸的危险。使用时为了降低风险，通常会透过封装技术，避免电子元件接触到水、空气，尽量降低损坏的机率。

据有关媒体报道，美国史丹佛大学和SLAC国家加速器实验室已研发出全新的SEI薄膜，将覆涂全新SEI的负极与其它商用零件相结合，打造出全新的电池。

试验结果指出，在160次循环后，仍能保有85%的容量。研究者表示，全新涂层会形成分子网络，将带电的锂离子均匀输送到电极中，用来防止不必要的化学反应与生成锂晶枝，进而降低电池失控的风险，这有助于提高锂离子电池的稳定性。

这并不是第一个关注锂离子电池负极的团队，近期天津大学与清华大学的学者们通过创新的浸涂法研制全新的涂层wax-PEO，打造出具有空气稳定性与防水性的锂负极。这种wax-PEO层能在维持锂离子传导下，有效抑制锂晶枝生产。

研究结果表明，将涂有wax-PEO的锂负极放置在相对湿度高达70%的环境中时，24h后其表面不会损坏也不会腐蚀，其容量能维持在85%左右，接触水后更不会燃烧或是容量下降。锂负极放入电池后，500h后仍维持稳定。在300次充放电循环中，每次循环的容量衰减率只有0.075%。研究人员指出，该技术不仅能造福锂金属，还可以应用在其它稳定性较低的电极材料上。

目前，中美两国的科学家在此方面的研究都还属于最佳化设计阶段，尚处于实验室阶段，未来希望能进一步提高电池容量以及使用寿命。还有研究者看好硅负极，因为硅与锂离子结合后可化身为Li15Si4，一个硅原子约可以附着4个锂离子，电池能以少量负极材料储存更多的锂离子，新型硅电极有望提升20%电池容量。