科學(xué)家探究硅負(fù)極力學(xué)化學(xué)性質(zhì),助力高比能硅基全固態(tài)電池商業(yè)化

發(fā)布日期:2024-02-28  來源:DeepTech深科技

核心提示:給手機(jī)、電腦等電子設(shè)備充電,已經(jīng)成為現(xiàn)代人習(xí)以為常的操作。而萬物皆可充電的世界得以實(shí)現(xiàn)的根本原因,是鋰離子電池的成功開發(fā)
給手機(jī)、電腦等電子設(shè)備充電,已經(jīng)成為現(xiàn)代人習(xí)以為常的操作。而“萬物皆可充電的世界”得以實(shí)現(xiàn)的根本原因,是鋰離子電池的成功開發(fā)。

液態(tài)鋰離子電池是鋰離子電池的一種類型。它因具備快速充電、高能量密度、良好的穩(wěn)定性等優(yōu)勢,幾乎應(yīng)用于當(dāng)下所有的電子設(shè)備中。

但不可忽視的是,這種電池也具有兩方面重要缺陷。首先,其使用壽命不夠長,像手機(jī)這類電子設(shè)備通常一天便要充一次電。

其次,它的安全性也存在一定隱患,在遭受外界沖擊和破壞的情況下,可能會(huì)因?yàn)槁┮憾鴮?dǎo)致爆炸或起火。

不過,為了克服上述問題,近年來相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家們已經(jīng)將研究目光轉(zhuǎn)向固態(tài)電池領(lǐng)域。

固態(tài)電池,顧名思義就是將液態(tài)電池中的可燃液體成分替換為固體成分。因?yàn)檎麄€(gè)電池都由固體成分組成,所以它不具有可燃缺陷,能夠大大提高安全性。

與此同時(shí),對固態(tài)電解質(zhì)的使用也能導(dǎo)致電池可匹配更高的正極材料和鋰金屬材料,進(jìn)而大大提升能量密度。

和其他的負(fù)極材料相比,鋰金屬負(fù)極擁有的比能量最高,所以它也是當(dāng)前固態(tài)電池領(lǐng)域最為熱門的研究方向之一。英國牛津大學(xué)博士后研究員霍翰宇,便是該方向的一名研究人員。



他在研究過程中發(fā)現(xiàn),固態(tài)鋰金屬電池中鋰金屬和固態(tài)電解質(zhì)的界面在接觸時(shí)不僅存在化學(xué)不穩(wěn)定的情況,還會(huì)生長出鋰枝晶,在經(jīng)過短期循環(huán)以后,很容易發(fā)生短路現(xiàn)象。

因此,他決定將研究方向轉(zhuǎn)到固態(tài)硅基電池,后者和鋰金屬具有同樣高的比能量,但生產(chǎn)成本和在空氣中的穩(wěn)定性均勝過鋰金屬。

“硅負(fù)極材料最大的問題在于,進(jìn)行充放電時(shí)會(huì)發(fā)生 300% 的體積膨脹,而這很容易在固體-固體界面產(chǎn)生一系列問題,包括固體-固體界面的化學(xué)反應(yīng)和接觸失效等。”霍翰宇表示。

基于此,為了弄清硅體積的膨脹和收縮對固態(tài)硅基電池的影響,他和所在課題組的成員在定量地解釋固體-固體界面的化學(xué)反應(yīng)速率的同時(shí),也對充放電過程中體積變化導(dǎo)致的固體-固體界面接觸失效進(jìn)行了機(jī)理分析。

接著,他們根據(jù)失效分析提出了解決策略,即采用一層薄薄的聚合物改性層改善固體-固體的失效界面。

霍翰宇解釋道:“簡單來說,這層聚合物改性層就像海綿一樣,能夠吸收硅材料體積膨脹或收縮時(shí)帶來的應(yīng)力變化,并進(jìn)行一些良好的自適調(diào)節(jié),進(jìn)而保證能夠抑制固體-固體界面的化學(xué)反應(yīng)和接觸不良。”


圖丨硅鋰磷硫氯化物固體電解質(zhì)界面組分的表征(來源:Nature Materials)

近日,相關(guān)論文以《固態(tài)電池中硅負(fù)極的化學(xué)機(jī)械失效機(jī)制》(Chemo-mechanical failure mechanisms of the silicon anode in solid-state batteries)為題在 Nature Materials 上發(fā)表[1]。



霍翰宇為該論文的第一作者兼共同通訊作者,德國尤斯圖斯-李比希大學(xué)尤爾根·賈內(nèi)克(Jürgen Janek)教授、德國馬克斯·普朗克鋼鐵研究所迪爾克·拉貝(Dierk Raabe)教授擔(dān)任該論文的共同通訊作者。

顯而易見,硅負(fù)極材料在固態(tài)電池中擁有良好的應(yīng)用前景。但目前來看,即便利用聚合物對固態(tài)硅基電池進(jìn)行界面改性,可在實(shí)際循環(huán)的過程中,還是需要再加注 50 兆帕的巨大壓力,這也使得其商業(yè)化應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)。

因此,該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在保證固態(tài)硅基電池?fù)碛辛己玫难h(huán)的同時(shí),降低運(yùn)行過程中所需的大壓力,以使其迎來更好的商業(yè)化前景。

另外,如上所說,霍翰宇一直聚焦于固態(tài)電池領(lǐng)域的研究。他的求學(xué)經(jīng)歷非常豐富,曾先后在加拿大、德國和英國等國家留學(xué)。而在不同的科研環(huán)境中,他也收獲了一些有趣的體驗(yàn)。

具體來說,雖然他曾加入過的所有實(shí)驗(yàn)室都擁有良好的研究氛圍和先進(jìn)的研究設(shè)備,但不同國家的科研節(jié)奏和對課題的思考方式各不相同。比如,加拿大更注重對性能或應(yīng)用的研究,德國和英國則更專注于機(jī)理研究。

“在北美和歐洲得到的這些研究體驗(yàn),也有助于我將應(yīng)用和機(jī)理的思維進(jìn)行結(jié)合,以更加全面地推進(jìn)在固態(tài)電池領(lǐng)域的研究。”霍翰宇說。

 
 
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