美国研发可形成保护层的电解质 可实现高容量硅阳极离子电池

锂离子电池已经成为日常生活中不可或缺的一部分。不过，在这个能源紧缺的社会，仍需要寿命更长、充电速度更快以及重量更轻的电池，以满足电动汽车、便携式电子产品等各种应用的需求，甚至，还包括满足军队减轻士兵负重的要求，因为军队也会采用大量的电子产品。

（图片来源：马里兰大学）

目前的锂离子电池都采用石墨作为阳极，容量相对较小，可以采用容量更大、对环境影响更小的硅阳极取代。虽然此研究方向很有前景，但是含有粒度较大硅阳极的电池往往寿命更短，一般充放电循环不到50次。当研究人员尝试采用硅、铝和铋等纳米颗粒时，发现此类纳米大小的合金阳极仍存在循环寿命短、成本高的问题。

据外媒报道，为此，美国马里兰大学（the University of Maryland）和陆军研究实验室（the Army Research Laboratory）的研究小组打造了一种能够在硅上形成保护层的电解质。该保护层非常稳定，能够承受硅阳极颗粒的膨胀。新型电解质设计合理，且应用了适当的基本原理，为硅阳极粒子在保护层内提供了膨胀的空间。

马里兰大学化学与生物分子工程系Ji Chen博士表示：“我们的研究证明，是有可能将硅、铝和铋颗粒作为锂离子电池的阳极、并稳定它们的循环寿命的，只是需要合理设计电解质。”

马里兰大学Xiulin Fan博士现为中国浙江大学教授，他表示：“电池的能量密度是由电极决定的，而电池的性能则受电解质严格控制。我们设计的电解质可以采用微型合金阳极，将显著提高电池的能量密度。”

目前硅阳极电解质的设计目标是形成一种均匀的聚合物层，即固体电解质界面SEI，而且该SEI非常灵活，可与硅紧密结合。不过，由于聚合物SEI与硅之间有强键合作用，使得SEI的体积变化与阳极颗粒的体积变化相同，因此，在电池运行过程中，阳极颗粒与SEI都会出现裂纹。

马里兰大学化学与生物分子工程系教授Chunsheng Wang表示：“经过对硅电极进行的广泛研究，电池界已经达成共识，此种微型硅阳极不可用于商用锂离子电池。但是，我们通过制造出一种与锂化硅粘附性较差的陶瓷SEI，成功避免SEI发生损坏，而且该锂化硅能够在体积变化的过程中，在界面上重新移动，不会损坏SEI。此种电解质设计原理适用于所有合金阳极设计，为研发高能量电池提供了新机遇。”

不过，研究人员表示，仍存在将该电解质实现商业化的挑战，因为该电池的电压局限为4.2V，仍需改进。