美國阿貢實驗室發(fā)明的新電解質(zhì)阻止了鋰電池性能的快速下降

鋰離子電池用途廣泛，目前其年交易量達數(shù)十億美元，并且還在持續(xù)增長。美國能源部阿貢國家實驗室的研究人員開發(fā)了一種新的電解質(zhì)混合物和一種簡單的添加劑，或許將在下一代鋰離子電池中占有一席之地。阿貢實驗室的Baris Key表示：根據(jù)測試結(jié)果，我們有充分的理由相信，如果硅負極能取代石墨負極，哪怕是一小部分，也會產(chǎn)生深遠的影響，本發(fā)明就是其中的一部分。

幾十年來，為了能制造出大容量、長壽命、成本低且更加安全的新一代鋰離子電池，科學家們一直在積極尋找新的電極材料和電解質(zhì)。憑借廉價且可靠的儲能，新一代電池很可能使電動汽車更加普及，加快電網(wǎng)向可再生能源發(fā)展。對于研制高級鋰離子電池的科學家來說，取代目前使用的石墨，硅是首選的負極材料。硅的理論儲能容量相比石墨具有顯著優(yōu)勢，幾乎是石墨的十倍。低成本的硅更具商業(yè)吸引力。它是地殼中豐度位于第二的材料，在計算和通信硬件中占主導地位，這表明其加工技術可靠。但硅仍然存在問題，在循環(huán)過程中，鋰離子電池中的硅負極易于與電解液發(fā)生反應，隨著時間的推移，這一過程造成電池性能下降，導致循環(huán)壽命縮短。目前的鋰離子電池電解質(zhì)由混合溶劑、至少一種溶解性鋰鹽和通常是三種以上的有機添加劑構(gòu)成。

阿貢實驗室的科學家研究出獨特的電解質(zhì)添加劑策略——加入少量的第二種鹽，這種鹽含有二價或三價金屬陽離子(Mg2+，Ca2+，Zn2+，Al3+)中的任何一種。這些增強型電解質(zhì)混合物被稱為 MESA(硅負極混合鹽電解質(zhì))，可使硅負極內(nèi)外整體穩(wěn)定，并可長期循環(huán)，使用壽命得到改善。Baris Key表示，經(jīng)過全流程電池制造，采用商業(yè)標準電極，MESA配方得到全方位檢驗。新的化學品性質(zhì)簡單，可放大生產(chǎn)，與現(xiàn)有的電池生產(chǎn)技術完全兼容。阿貢實驗室的研究人員還研究了含有MESA的電解質(zhì)工作原理。在充電過程中，電解質(zhì)溶液中的金屬陽離子與鋰離子一起遷移到硅負極中，形成鋰-金屬-硅態(tài)，比鋰-硅態(tài)更穩(wěn)定。這種新電池的化學性質(zhì)極大地降低了硅負極與電解質(zhì)之間不利副反應的發(fā)生，而這一問題一直困擾著傳統(tǒng)電解液電池。在電池上測試的4種金屬鹽中，添加了Mg2+或Ca2+的電解質(zhì)被證明效果最佳，充放電超過數(shù)百次。這些電池的能量密度比相應的石墨負極電池高50%。

[靳愛民摘譯自 ScienceDaily，2019-10-10]