為了生產(chǎn)新一代鋰離子電池，數(shù)十年來(lái)，科學(xué)家們一直在尋找新型電極材料和電解質(zhì)。他們的目標(biāo)是提高電池的儲(chǔ)能能力，使其壽命更長(zhǎng)，成本更低，也更安全。有了新一代電池，電動(dòng)汽車有望進(jìn)一步普及，并通過(guò)更加廉價(jià)可靠的儲(chǔ)能方式，加速電網(wǎng)向可再生能源擴(kuò)張。
對(duì)科學(xué)家們來(lái)說(shuō)，硅負(fù)極已成為取代當(dāng)前石墨負(fù)極的首選材料。從理論上來(lái)說(shuō)，硅具有明顯的儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)，其鋰存儲(chǔ)量幾乎是石墨的10倍。而且，這種物質(zhì)的成本低，更具商業(yè)吸引力。作為地殼中第二大元素，硅元素在計(jì)算和通信硬件中應(yīng)用廣泛，已具備一系列加工技術(shù)。但是，阿貢化學(xué)科學(xué)與工程部門(CSE)的高級(jí)化學(xué)家JackVaughey指出，“硅負(fù)極的應(yīng)用，仍然存在一定障礙。在循環(huán)過(guò)程中，鋰離子電池的硅基負(fù)極與電解液劇烈反應(yīng)。長(zhǎng)此以住，會(huì)導(dǎo)致電池退化，循環(huán)壽命縮短。”
目前，鋰離子電池電解液中的溶劑混合物，包括一種溶解的鋰鹽，以及有機(jī)添加劑(通常超過(guò)三種，至少一種)。阿貢的科學(xué)家們提出新策略，對(duì)電解液添加劑進(jìn)行獨(dú)特設(shè)計(jì)，使少量的另外一種鹽中，含有一種二價(jià)或三價(jià)金屬陽(yáng)離子，比如Mg2+、Ca2+、Zn2+或Al3+。這類增強(qiáng)型電解質(zhì)混合物，統(tǒng)稱為“MESA”(mixed-saltelectrolytesforsiliconanodes，代表用于硅負(fù)極的混合鹽電解質(zhì))，可以增加硅負(fù)極的表面和整體穩(wěn)定性，改善長(zhǎng)期循環(huán)和使用壽命。CSE部門化學(xué)技師BarisKey表示：“我們通過(guò)帶有標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)化電極的完整電池，對(duì)MESA進(jìn)行全面測(cè)試。這種新型化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有可伸縮性，與現(xiàn)有電池技術(shù)完全兼容。”
Vaughey補(bǔ)充道，“在這個(gè)項(xiàng)目中，阿貢的電池分析、建模和原型(CAMP)設(shè)施，讓我們獲益匪淺，幫助我們解讀MESA的物質(zhì)構(gòu)成。”
同時(shí)，阿貢研究人員重點(diǎn)觀察MESA電解液的工作過(guò)程。在充電過(guò)程中，電解液中的金屬陽(yáng)離子添加劑，隨著鋰離子遷移到硅基負(fù)極，形成鋰金屬硅相，比鋰硅相更穩(wěn)定。在新型電池化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，硅負(fù)極和電解液之間極少產(chǎn)生有害副作用。經(jīng)過(guò)證明，在電池中測(cè)試的四種金屬鹽中，添加Mg2+或Ca2+的電解質(zhì)鹽，在數(shù)百次充放電循環(huán)中效果最佳。這類電池的能量密度比同類石墨電池高出50%。
Key表示：“根據(jù)測(cè)試結(jié)果，我們完全有理由相信，這項(xiàng)發(fā)明將起到推動(dòng)作用，使硅負(fù)極取代石墨，或者與石墨一起構(gòu)成負(fù)極(濃度略超過(guò)石墨幾個(gè)百分點(diǎn))，并可能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。”