蓋世汽車訊 據外媒報道，工程科學與力學和生物工程教授Sulin Zhang及其研究團隊開發出一種表征硅結構和化學演化的新方法，以及控制電池穩定性的薄層，將有助于解決避免將硅用于高容量電池的問題。該研究的重點是陽極、負電極和電解質的界面，這使得電荷能夠在陽極和陰極之間移動。固體電解質中間相（SEI）層通常形成在固體電極和液體電解質之間的電極表面上，對于電池中的電化學反應以及控制電池的穩定性至關重要。使用硅作為陽極可以打造出更好的可充電電池。

（圖片來源：Jennifer M. Mccann）

Zhang稱：“在過去的10年間，硅作為可充電電池的高容量負極引起了很多關注。目前商業電池的負極材料主要使用的是石墨，但硅的容量大約是石墨的10倍。因此，全球有數千萬、甚至數億美元用于硅電池研究。”

這對于希望通過電動汽車和強大的便攜式電子設備實現基礎設施電氣化的社會而言，非常鼓舞人心，但也存在諸多挑戰。電池在充放電過程中，硅的體積會膨脹和收縮，從而導致硅材料開裂，因此SEI會一次次破碎再生，從而導致失去電接觸和容量（電池存儲的電荷量）下降。因此準確了解這個過程如何在結構和化學層面發生對于解決問題至關重要。

Zhang表示：“由于SEI層的穩定性控制著電池的穩定性，因此你不希望它不受控制地增長，從而消耗電解質材料和活性鋰，使得電解液變干并損失活性材料，進而對電池性能產生不利影響。”

Zhang還表示：“SEI層對電池至關重要。但它非常薄，任何光學顯微鏡都看不到，并且在電池循環過程中會動態演變。當然，它可以被用于超納米級、非常薄的材料的透射電子顯微鏡觀察到。但由于需發送大量電子才能獲得材料成分的高分辨率圖像，而SEI層非常柔軟，很容易被電子束破壞.”

為了克服上述問題，研究人員使用了低溫掃描透射電子顯微鏡（cryo-STEM），并在使用cryo-STEM顯微鏡制備和成像期間將循環電極材料保持在低溫下，以最大限度地減少電子束對樣品的損壞。此外，他們還集成了用于3D成像的敏感元素斷層掃描，以及旨在以較低電子劑量捕獲圖像的高級算法，從而生成SEI-硅相互作用的3D視圖，并可在不同次數的電池循環后進行拍攝。

（視頻來源：賓夕法尼亞州立大學）

Zhang說：“我們方法的獨特之處在cryo-STEM成像和多物理過程建模。我們可以在電池循環運行后可視化硅和SEI的演變，同時，使用計算模擬重述循環期間的整個微觀結構演變過程。這正是此項研究的新穎之處。”

此項工作可以使人們更好地了解導致硅陽極中SEI層生長和不穩定的機制。Zhang表示：“因此，隨著對SEI層生長機制的了解，我可以們對如何提高硅負極或電池設計的性能有更多想法，從而為下一代鋰電池打造出更堅固的硅陽極。”

Zhang認為下一代鋰電池將為行業和普通消費者帶來多重好處。Zhang表示：“硅的儲量豐富，可以降低電池的價格。此外，一旦可以使用硅作為具有長循環壽命的陽極，我們將大大提高可充電電池的容量。”

憑借對硅負極電池在充電和放電過程中SEI層演變的批判性理解，Zhang表示下一步將利用這些知識來幫助設計一種不會因循環而損失容量的硅負極電池。Zhang稱：“隨著對該潛在機制的了解，我們將產生一系列科學假設，隨后使用硅陽極進行測試，從而減輕與硅體積變化相關的不利影響。通過控制目前不可控的因素，我們可以設計出性能更好的硅電極。”

返回第一電動網首頁 >