延长可充电锂电池中高容量硅电极的寿命采用新型橡胶涂层

一项新研究将帮助研究人员制造出更耐用，更高容量的锂可充电电池，这种电池通常用于消费电子产品。在发表在ACS Nano期刊上的一项研究中，研究人员展示了如何使高容量硅电极更耐用的涂层可以替代低容量的石墨电极。

“了解涂层是如何工作的，这表明了我们需要采取的方向来克服硅电极的问题，”能源部太平洋西北国家实验室的材料科学家Chongmin Wang说。

由于其高电容潜力，硅是目前锂离子电池开发中最热门的产品之一。用硅替换可充电锂电池中的石墨电极可以使容量增加十倍，使得它们在用完果汁之前可以持续数小时。问题?硅电极不是很耐用 - 经过几十次充电后，它们再也无法保持电量。

这部分是由于硅如何吸收锂 - 就像海绵一样。充电时，锂会渗入硅电极。锂使硅电极膨胀至其原始尺寸的三倍。可能由于膨胀或其他未知原因，硅破裂并破裂。

研究人员一直在使用由约150纳米宽的微小硅球构成的电极 - 比人类头发小约一千倍 - 以克服硅作为电极的一些局限性。小尺寸使硅充电快速彻底 - 比早期的硅电极有所改进 - 但只能部分缓解压裂问题。

去年，材料科学家Chunmei Ban和她在科罗拉多州Golden的国家可再生能源实验室和科罗拉多大学博尔德分校的同事们发现，他们可以用铝制甘油制成的橡胶状涂层覆盖硅纳米粒子。涂覆的硅颗粒持续至少五倍 - 未涂覆的颗粒在30个循环中死亡，但涂覆的颗粒在150个循环后仍然带电。

研究人员不知道这种涂层如何改善硅纳米粒子的性能。纳米粒子在其表面上自然地生长出氧化硅硬壳，就像不锈钢在其表面上形成氧化铬保护层一样。没人理解氧化层是否会干扰电极性能，如果是这样，橡胶涂层如何改善它。

为了更好地了解涂层是如何工作的，PNNL的Wang及其同事，包括Ban，转向了EMSL，DOE的环境分子科学实验室，PNEL的DOE科学用户设施办公室的专业知识和独特的仪器。

Ban的团队 - 开发了用于硅电极的涂层，称为alucone，并且是目前唯一可以制造铝涂层硅颗粒的团体 - 在电子显微镜中拍摄了高倍放大的颗粒图像。但王的团队有一台显微镜可以观察到粒子的运行情况，同时它们正在充电和放电。因此，匹兹堡大学的Yang He在EMSL研究了涂层硅纳米粒子。

该团队发现，如果没有铝素涂层，氧化物壳会阻止硅膨胀，并限制电池充电时颗粒可以吸收多少锂。同时，他们发现alucone涂层使颗粒软化，使其更容易用锂膨胀和收缩。

微观图像揭示了其他东西 - 橡胶状的alucone取代了硬质氧化物。这允许硅在充电和放电期间膨胀和收缩，从而防止断裂。

“我们对氧化物被去除感到惊讶，”王说。“通常很难除去氧化物。你必须用酸来做到这一点。但这种涂覆颗粒的分子沉积方法完全改变了保护层。”

此外，具有氧化物壳的颗粒在充电期间趋于合并在一起，增加了它们的尺寸并防止锂渗透硅。橡胶涂层使颗粒分离，使其发挥最佳功能。

在未来，研究人员希望开发一种更容易的硅纳米粒子涂层方法。

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