阿贡团队开发新电解质 提升锂离子电池中硅负极的性能

(图片来源:阿贡官网)据国外媒体报道，美国能源部阿贡国家实验室的研究人员开发出了一种新的电解质混合物和一种简单的添加剂，可以增加硅阳极的表面和整体稳定性，有望应用于下一代锂离子电池。为了生产新一代锂离子电池，科学家们几十年来一直在寻找新的电极材料和电解质。他们的目标是提高电池的储能能力，让电池更耐用、更便宜、更安全。有了新一代电池，电动汽车有望进一步普及，电网向可再生能源的扩张将通过更廉价、更可靠的储能方式加速。对于科学家来说，硅阳极已经成为替代目前石墨阳极的首选。理论上，硅具有明显的储能优势，其储锂能力几乎是石墨的10倍。此外，这种物质的成本低，对商业更有吸引力。作为地壳中的第二大元素，硅被广泛应用于计算和通信硬件，并拥有一系列加工技术。然而，阿贡化学科学与工程系(CSE)的高级化学家杰克·沃伊(Jack Vaughey)指出，“硅阳极的应用还存在一些障碍。在循环过程中，锂离子电池的硅基负极与电解液发生剧烈反应。如果长时间居住，会导致电池退化，缩短循环寿命。”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和一种有机添加剂(通常多于三种，至少一种)。阿贡的科学家提出了一种新的策略，独特地设计了电解质添加剂，使少量的另一种盐含有二价或三价金属阳离子，如Mg2+、Ca2+、Zn2+或Al3+。这种增强型电解液混合物，统称为“mesa”(硅阳极混合盐电解液)，可以增加硅阳极的表面和整体稳定性，提高长期循环和使用寿命。CSE部门的化学技术人员巴里斯·基说:“我们通过一个带有标准商用电极的完整电池对MESA进行了全面测试。这种新的化学物质结构简单，可扩展，完全兼容现有的电池技术。”Vaughey补充道，“在这个项目中，Argonne的电池分析、建模和原型(CAMP)设施让我们受益匪浅，帮助我们解读了MESA的材料组成。”与此同时，Argonne的研究人员专注于台面电解质的工作过程。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。在新电池的化学反应过程中，硅负极和电解液之间的有害副作用很少。已经证明，在电池中测试的四种金属盐中，Mg2+或Ca2+的电解质盐在数百次充放电循环中效果最好。这种电池的能量密度比同类石墨电池高50%。基说:“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，或与石墨形成负极(浓度比石墨略高几个百分点)，并可能产生深远的影响。”

(图片来源:阿贡官网)据国外媒体报道，美国能源部阿贡国家实验室的研究人员开发出了一种新的电解质混合物和一种简单的添加剂，可以增加硅阳极的表面和整体稳定性，有望应用于下一代锂离子电池。为了生产新一代锂离子电池，科学家们几十年来一直在寻找新的电极材料和电解质。他们的目标是提高电池的储能能力，使电池更耐用、更便宜、更安全。有了新一代电池，电动汽车有望进一步普及，电网向可再生能源的扩张将通过更廉价、更可靠的储能方式加速。对于……事实证明，硅阳极已成为取代目前石墨阳极的首选。理论上，硅具有明显的储能优势，其储锂能力几乎是石墨的10倍。此外，这种物质的成本低，对商业更有吸引力。作为地壳中的第二大元素，硅被广泛应用于计算和通信硬件，并拥有一系列加工技术。然而，阿贡化学科学与工程系(CSE)的高级化学家杰克·沃伊(Jack Vaughey)指出，“硅阳极的应用还存在一些障碍。在循环过程中，锂离子电池的硅基负极与电解液发生剧烈反应。如果长时间居住，会导致电池退化，缩短循环寿命。”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和一种有机添加剂(通常多于三种，至少一种)。阿贡的科学家提出了一种新的策略，独特地设计了电解质添加剂，使少量的另一种盐含有二价或三价金属阳离子，如Mg2+、Ca2+、Zn2+或Al3+。这种增强型电解液混合物，统称为“mesa”(硅阳极混合盐电解液)，可以增加硅阳极的表面和整体稳定性，提高长期循环和使用寿命。CSE部门的化学技术员巴里斯·基说:“我们通过一个完整的电池，用标准的商业电极，对MESA进行了全面的测试。这种新的化学物质结构简单，可扩展，完全兼容现有的电池技术。”Vaughey补充道，“在这个项目中，Argonne的电池分析、建模和原型(CAMP)设施让我们受益匪浅，帮助我们解读了MESA的材料组成。”与此同时，Argonne的研究人员专注于台面电解质的工作过程。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。在新电池的化学反应过程中，硅负极和电解液之间的有害副作用很少。已经证明，在电池中测试的四种金属盐中，Mg2+或Ca2+的电解质盐在数百次充放电循环中效果最好。这种电池的能量密度比同类石墨电池高50%。基说:“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，或与石墨形成负极(浓度比石墨略高几个百分点)，并可能产生深远的影响。”

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