Изображение, показващо частица Si, покрита от богатия на LiF SEI. Кредит: Chen et al.
Повечето съществуващи литиево-йонни батерии (LIB) интегрират графитни аноди, които имат капацитет от приблизително 350 милиампер часа (mAh) на грам. Капацитетът на силиконовите аноди е почти 10 пъти по-висок от този на техните графитни аналози (около 2800 mAh на грам) и по този начин теоретично би могъл да позволи разработването на по-компактни и по-леки батерии на литиева основа.
Въпреки по -големия си капацитет, силициевите аноди досега не са били в състояние да се конкурират с графитните аноди, тъй като силицийът се разширява и свива по време на работа на батерията, така че външният защитен слой на анодите може лесно да се напука, докато батерията работи. В неотдавнашна статия, публикувана в Nature Nature, екип от изследователи от Университета в Мериленд Колидж Парк и Армейската изследователска лаборатория докладва за нов дизайн на електролита, който би могъл да преодолее ограниченията на съществуващите силиконови аноди.
„Силициевите аноди и образуваните от тях твърди електролитни интерфазни (SEI) защитни слоеве са по -лесни за разпрашаване по време на работа на батерията, тъй като SEI силно се свързва със Si, така че и двата изпитват голям обем промени“, казва Джи Чен, един от водещите изследователи, които от проучването, каза Phys.org.
SEI е защитен слой, който се образува естествено, когато анодните частици са в пряк контакт с електролит. Този слой служи като бариера, която предотвратява появата на допълнителни реакции вътре в батерията, отделяйки анода от електролита.
"Ако този защитен слой се повреди по време на разширяването или свиването на анодните частици на Si, новооткритите анодни частици реагират непрекъснато с електролита, докато той се изчерпи по време на колоездене на батерията", каза Олег Бородин, старши химик, участващ в проучването в Армейската изследователска лаборатория, за Phys.org.
В продължение на повече от десетилетие изследователските групи по целия свят се опитват да преодолеят проблемите, предотвратяващи използването на силициеви аноди в LIB, предимно чрез проектиране на гъвкави и органични SEI, които се разширяват с анодите. Повечето от разработените от тях решения обаче се оказват или напълно неефективни, или леко ефективни, като по този начин само частично предотвратяват увреждането на SEI.
"От дълго време изследователската общност на LIB се опитва да разработи техники за създаване на аноди с голям капацитет като Si", казва Chunsheng Wang, професор в катедрата по химическо и биомолекулно инженерство и катедра по химия и биохимия на Университета на Мериленд (UMD), който е и директор на UMD на Центъра за изследване на екстремни батерии. "Тези изследователи работеха предимно върху нивото на Si, като въведоха скъпи нанопроизводствени процеси. Опитахме се да се справим с този проблем по различен начин, като проектирахме електролита и съответния SEI за аноди с голям капацитет."
Чен, Бородин, Уанг и техните колеги са проектирали електролит, който би могъл да подобри работата на микроразмерни силициеви аноди в LIB, предотвратявайки увреждане на външната им защитна бариера. В сравнение с предложените по -рано решения, техният подход значително намалява разграждането на електролита, като по този начин позволява много по -дълъг цикъл на батерията, преди тя да загуби капацитета си.
Крайната цел на изследването на изследователите е да се идентифицира универсално решение, което може да улесни разработването на аноди с голям капацитет за батерии на Li. За да постигнат това, те проектират електролити, използвайки LiPF6, най-съвременна сол и смес от етерни разтворители, образувайки много здрав, богат на LiF защитен слой SEI.
"Специалната структура на разтваряне (взаимодействие между солта и разтворителя) и широката пропаст между тенденцията на редукция на солта и разтворителя насърчават образуването на уникален, богат на LiF SEI върху Si, който е супер полезен за циклиране на високопроизводителния капацитет Si аноди ", обясни Олег. „Електролитът, който проектирахме, предлага внедряващо решение за настоящата LIB технология, без да изисква скъпа обработка, като същевременно поддържа висока стабилност при циклиране и кулоновска ефективност (CE), която е безпрецедентна.“
Неотдавнашното проучване на Chen, Borodin, Wang и техните колеги доказва, че постигането на добър цикъл и висок CE в LIBs, съдържащи силициеви аноди, е всъщност възможно и че може да се постигне просто чрез подмяна на електролита в батерията, което преди това е било счита за непрактично или напълно неосъществимо. Принципът на техния електролитен дизайн може теоретично да се приложи и към всички аноди от сплави с голям капацитет. В бъдеще този дизайн може да позволи създаването на по-добре работещи литиеви батерии, които съдържат аноди на базата на материали, различни от графит.
"Нашите констатации посочват нова посока за проектиране на електролити и биха могли да дадат увереност на изследователските екипи по целия свят в прилагането на анодни материали с голям капацитет в LIB", каза Уанг. „Следващите ни стъпки ще бъдат да подобрим прозореца за напрежение на електролита и да се опитаме да лицензираме технологията.
