研究发现硅阳极聚合物涂层 可提高锂电池容量

尽管硅阳极可以大大提高锂离子电池容量，但电池使用性能迅速降低。聚合物涂层可以解决这一问题，但却很少有研究探索其潜在机理。据悉，北陆先端科学技术大学院大学(JAIST)的科学家对聚合物（硼硅氧烷）涂层是如何极大地稳定硅阳极容量的原因进行了研究，有助于发明更好且更耐用的锂离子电池，并可应用于电动汽车和可再生能源储存器。

锂离子电池（LIB）自出现就一直在不断地改进和适应，可适用于移动设备、电动汽车以及可再生能源收集存储单元等应用。在大型应用中（如后两种），LIB研究的重点为在不改变整体尺寸的情况下增加容量和电压极限。因此，必须更换电池组件和材料。

（图片来源： ACS Applied Energy Materials ）

许多研究人员认为硅阳极比传统石墨阳极更具潜能。电池阳极在充电时会存储锂离子，而当使用电池时，锂离子就会通过电解液移动到阴极。硅是目前非常有潜力的阳极材料，可将LIB容量提高近十倍，但它也带来了一系列问题。因此将硅阳极商业化之前，必须解决这些问题。

在期刊ACS Applied Energy Materials发表的一项最新研究表明，JAIST的科研小组通过采用一种聚合物涂层：聚（硼硅氧烷）（PBS）解决了上述问题。该研究由Noriyoshi Matsumi教授领导，JAIST博士生Sai Gourang Patnaik和Tejkiran Pindi Jayakumar共同完成。

聚合物涂层解决了硅阳极的最大问题之一，即形成过大的固体电解质中间相（SEI）。电解质和阳极之间自发形成SEI对电池长期性能至关重要。但是，硅等材料的使用，往往会导电池体积膨胀，并连续形成SEI从而耗尽可用电解质。这必然削弱电池性能，且电池容量也会逐渐大幅下降。

聚合物涂层在此就可发挥作用。它们可以防止在硅上形成过多的SEI，并形成人造且稳定的SEI。研究人员指出PBS作为硅阳极涂层极具潜力，但之前并未有研究对其作用机理作出清晰解释。如Matsumi教授所说：“对基于PBS且定义明确的聚合物的相关报道很少，不能为其应用和反应提供足够的机械依据。因此，我们希望可以评估并阐明聚合物涂层对硅阳极的作用：聚合物涂层不仅可作为自修复的人造界面，还可以防止有害的体积膨胀。”

该团队从稳定性、容量和界面特性等方面，对有聚合物涂层和没有聚合物涂层的硅阳极的短期和长期性能进行了对比。通过一系列的电化学测量和理论计算，他们了解到PBS是如何帮助稳定硅阳极容量。

与裸露的硅阳极和涂有聚偏二氟乙烯（在LIB中使用的商用涂层）的阳极相比，PBS的自愈特性及其可逆的锂离子容纳性显着提高了电池稳定性，部分原因为PBS能够在操作过程中填补SEI裂纹。不同于其他两个阳极，涂有PBS硅阳极的电池充电300多个循环后，其容量仍几乎保持不变。

通过解决与硅阳极相关主要问题，本研究为具有更高容量和耐久性的新一代LIB铺平了道路。Matsumi教授对研究结果非常满意，并表示：“广泛应用大容量LIB，将提高电动汽车续航里程，支持更大的无人机，还可以提高可再生能源的存储效率。”他还补充说，十年内，LIB甚至可作为二次能源，用于火车、轮船和飞机等大型车辆中。