鉅大LARGE | 點擊量：722次 | 2021年12月16日
日本科學家揭示聚合物涂層如何穩(wěn)定鋰離子電池硅陽極的容量
雖然硅陽極可以大大提高鋰離子電池的容量，但隨著使用，其性能會迅速下降。聚合物涂層可以幫助解決這一問題，但很少有研究探討其內在機制。在最近的一項研究中，日本高級科學技術研究所的科學家們研究了聚（硼硅氧烷）涂層如何極大地穩(wěn)定硅陽極的容量，從而為電動汽車和可再生能源收集用更好、更耐用的鋰離子電池鋪平了道路。
鋰離子電池（LIB）自提出以來，一直在不斷改進和調整，使其能夠適用于從移動設備、電動汽車到可再生能源收割機的存儲單元等各種不同的應用。在大多數更大規(guī)模的應用中（如后兩種），LIB研究的重點放在增加容量和電壓限制上，而不增加它們的總體尺寸。當然，要做到這一點，電池的部件和材料必須打開。
許多研究人員把賭注押在使用硅陽極而不是傳統(tǒng)的石墨陽極上。正極是電池的一部分，當電池充電時，鋰離子被儲存在那里，然后在使用電池充電時，鋰離子通過一種叫做電解質的介質流到另一端的負極。盡管硅無疑是一種很有前途的陽極材料，其容量增加了近10倍，但在硅陽極商業(yè)化之前，它帶來了一系列必須克服的挑戰(zhàn)。
在最近發(fā)表在ACS應用能源材料上的一項研究中，來自日本高級科學技術研究所（JAIST）的一組科學家使用一種很有前途的聚合物涂層：聚（硼硅氧烷）（PBS）來解決硅陽極的問題。這項研究是由松下幸男（NoriyoshiMatsumi）教授領導的，當時正在JAIST完成博士課程的SaiGourangPatnaik博士和TejkiranPindiJayakumar博士也參與了這項研究。
由于其自愈性，PBS涂層在容量方面比裸陽極或涂有PVDF（一種商業(yè)上用于鋰離子電池的聚合物）的陽極提供了更穩(wěn)定的性能。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
聚合物涂層可以解決困擾硅陽極的一個最嚴重的缺點：形成過大的固體電解質界面（SEI）。電解液和陽極之間自發(fā)形成的SEI實際上對電池的長期性能至關重要。然而，像硅這樣的材料在使用過程中往往會大大膨脹，從而導致連續(xù)的SEI形成和可用電解液的耗盡。不用說，這會阻礙電池的性能，并隨著時間的推移導致容量大幅下降。
這就是聚合物涂層發(fā)揮作用的地方，它們可以防止在硅上形成過多的SEI，并形成一種人工的、穩(wěn)定的SEI（見圖1）。盡管研究人員已經注意到了PBS作為硅陽極涂層的潛力，但之前的研究并沒有對其作用機制提供明確的解釋，正如Matsumi教授解釋的那樣，“很少有關于明確定義的PBS基聚合物的報告為其應用及其效果提供了機制起源。因此，我們想評估并闡明它們對硅陽極的貢獻，作為一種自我修復的人工界面，也可以防止有害的體積膨脹?！?/p>
研究小組從穩(wěn)定性、容量和界面特性方面比較了有和沒有聚合物涂層的硅陽極的短期和長期性能。他們通過一系列電化學測量和理論計算來實現(xiàn)這一點，這使他們了解了PBS如何幫助穩(wěn)定硅陽極的容量。
與裸露的硅陽極和涂有聚偏氟乙烯（LIBs中的一種商用涂層）的陽極相比，PBS的自愈性及其對鋰離子的可逆調節(jié)顯著提高了穩(wěn)定性。這部分是由于PBS能夠填充SEI在運行期間形成的任何裂縫。如圖2所示，與其他兩個陽極不同，PBS涂層硅陽極的容量在300多個循環(huán)中幾乎保持不變。
通過解決與硅陽極相關的主要問題，本研究為新一代具有更高容量和耐用性的鋰離子電池鋪平了道路。Matsumi教授對研究結果表示滿意，“大容量鋰離子電池的廣泛應用將使電動汽車行駛距離更長，無人機體積更大，可再生能源的儲存效率更高?！彼€補充說，在十年內，我們甚至可能看到鋰離子電池被用作火車等大型車輛的二次能源，船只和飛機。希望進一步的研究能使我們達到目的！
