工程師們創(chuàng)造了一種新型的電池，將兩個(gè)有前途的電池子領(lǐng)域編織成一個(gè)電池。該電池同時(shí)使用固態(tài)電解質(zhì)和全硅陽(yáng)極，使其成為硅全固態(tài)電池。最初的幾輪測(cè)試表明，這種新電池是安全的、持久的、能量密集的。它為從電網(wǎng)存儲(chǔ)到電動(dòng)汽車的廣泛應(yīng)用帶來(lái)了希望。

該電池技術(shù)在2021年9月24日的《科學(xué)》雜志上有描述。加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程師領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究，與LG能源解決方案的研究人員合作。

硅陽(yáng)極以其能量密度而聞名，它比當(dāng)今商業(yè)鋰離子電池中最常使用的石墨陽(yáng)極高出10倍。另一方面，硅陽(yáng)極因其在電池充電和放電時(shí)的膨脹和收縮，以及其在液體電解質(zhì)中的降解而臭名昭著。這些挑戰(zhàn)使全硅陽(yáng)極被排除在商業(yè)鋰離子電池之外，盡管其能量密度誘人。發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的這項(xiàng)新工作為全硅陽(yáng)極提供了一條有希望的發(fā)展道路，這要?dú)w功于正確的電解質(zhì)。

論文的主要作者DarrenH.S.Tan說(shuō)通過(guò)這種電池配置，我們正在為使用硅等合金陽(yáng)極的固態(tài)電池開(kāi)辟一個(gè)新的領(lǐng)域。他最近在加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程學(xué)院完成了他的化學(xué)工程博士學(xué)位，并共同創(chuàng)辦了一家初創(chuàng)企業(yè)UNIGRID電池公司，該公司已獲得這項(xiàng)技術(shù)的許可。

具有高能量密度的下一代固態(tài)電池一直依賴金屬鋰作為負(fù)極。但這對(duì)電池的充電率有限制，而且在充電過(guò)程中需要升高溫度（通常是60攝氏度或更高）。硅陽(yáng)極克服了這些限制，允許在室溫和低溫下有更快的充電速率，同時(shí)保持高能量密度。

該團(tuán)隊(duì)展示了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的全電池，在室溫下可進(jìn)行500次充電和放電循環(huán)，容量保持率為80%，這對(duì)硅陽(yáng)極和固態(tài)電池界來(lái)說(shuō)都是令人興奮的進(jìn)展。

硅作為陽(yáng)極取代石墨

當(dāng)然，硅陽(yáng)極并不新鮮。幾十年來(lái)，科學(xué)家和電池制造商一直期待著將硅作為一種能量密集的材料混入或完全取代鋰離子電池的傳統(tǒng)石墨陽(yáng)極。理論上，硅的存儲(chǔ)能力大約是石墨的10倍。然而，在實(shí)踐中，將硅添加到陽(yáng)極以增加能量密度的鋰離子電池通常會(huì)遭受現(xiàn)實(shí)世界的性能問(wèn)題：特別是，在保持性能的情況下，電池可以充電和放電的次數(shù)不夠多。

這個(gè)問(wèn)題大部分是由硅陽(yáng)極和它們所搭配的液體電解質(zhì)之間的相互作用造成的。充電和放電過(guò)程中，硅顆粒的大量體積膨脹使情況變得復(fù)雜。這導(dǎo)致隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)嚴(yán)重的容量損失。

"作為電池研究人員，解決系統(tǒng)中的根本問(wèn)題至關(guān)重要。對(duì)于硅陽(yáng)極，我們知道其中一個(gè)大問(wèn)題是液體電解質(zhì)界面不穩(wěn)定，因此我們需要一種完全不同的方法。"加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程教授ShirleyMeng說(shuō)，他是《科學(xué)》論文的通訊作者，也是加州大學(xué)圣地亞哥分校材料發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)研究所的主任。

事實(shí)上，加州大學(xué)圣地亞哥分校領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)采取了一種不同的方法：他們消除了全硅陽(yáng)極的碳和粘合劑。此外，研究人員還使用了微硅，它比通常使用的納米硅加工更少，價(jià)格更低。

一個(gè)全固態(tài)的解決方案

除了從陽(yáng)極上去除所有的碳和粘合劑之外，該團(tuán)隊(duì)還去除液體電解質(zhì)。相反，他們使用了一種基于硫化物的固體電解質(zhì)。他們的實(shí)驗(yàn)表明，這種固體電解質(zhì)在具有全硅陽(yáng)極的電池中極其穩(wěn)定。

孟教授說(shuō)："這項(xiàng)新工作為硅陽(yáng)極問(wèn)題提供了一個(gè)有希望的解決方案，盡管還有更多的工作要做。我認(rèn)為這個(gè)項(xiàng)目是對(duì)我們?cè)诩又荽髮W(xué)圣地亞哥分校的電池研究方法的驗(yàn)證。我們將最嚴(yán)格的理論和實(shí)驗(yàn)工作與創(chuàng)造性和發(fā)散性思維相結(jié)合。我們也知道如何在追求艱難的基本挑戰(zhàn)的同時(shí)與行業(yè)伙伴互動(dòng)。"

過(guò)去使硅合金陽(yáng)極商業(yè)化的努力主要集中在硅-石墨復(fù)合材料上，或?qū)⒓{米結(jié)構(gòu)的顆粒與聚合物粘合劑相結(jié)合。但它們?nèi)匀辉跒榉€(wěn)定性差而掙扎。

通過(guò)將液體電解質(zhì)換成固體電解質(zhì)，同時(shí)從硅陽(yáng)極上去除碳和粘合劑，研究人員避免了一系列相關(guān)的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)是在電池運(yùn)作時(shí)陽(yáng)極浸泡在有機(jī)液體電解質(zhì)中而產(chǎn)生的。

同時(shí)，通過(guò)消除陽(yáng)極中的碳，研究小組大大減少了與固體電解質(zhì)的界面接觸（和不必要的副反應(yīng)），避免了通常發(fā)生在液體電解質(zhì)中的持續(xù)容量損失。

這個(gè)兩部分的舉措使研究人員能夠充分獲得硅的低成本、高能量和環(huán)境友好特性的好處。

影響和附帶商業(yè)化

"固態(tài)硅方法克服了傳統(tǒng)電池的許多限制。它為我們提供了令人興奮的機(jī)會(huì)，以滿足市場(chǎng)對(duì)更高的體積能量、更低的成本和更安全的電池的需求，特別是用于電網(wǎng)能源存儲(chǔ)。”論文的第一作者DarrenH.S.Tan說(shuō)

硫化物基固體電解質(zhì)通常被認(rèn)為是非常不穩(wěn)定的。然而，這是基于在液體電解質(zhì)系統(tǒng)中使用的傳統(tǒng)熱力學(xué)解釋，它沒(méi)有考慮到固體電解質(zhì)的卓越動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。該團(tuán)隊(duì)看到了一個(gè)利用這一反直覺(jué)的特性來(lái)創(chuàng)造高度穩(wěn)定的陽(yáng)極的機(jī)會(huì)。

譚是一家初創(chuàng)公司UNIGRID電池的首席執(zhí)行官和聯(lián)合創(chuàng)始人，該公司已獲得這些硅全固態(tài)電池的技術(shù)許可。

與此同時(shí)，相關(guān)的基礎(chǔ)工作將在圣地亞哥大學(xué)繼續(xù)進(jìn)行，包括與LG能源解決方案的額外研究合作。

LG能源解決方案公司總裁兼首席采購(gòu)官M(fèi)yung-hwanKim說(shuō)："LG能源解決方案很高興與加州大學(xué)圣地亞哥分校合作的最新電池技術(shù)研究登上了《科學(xué)》雜志，這是一種有意義的認(rèn)可，有了最新的發(fā)現(xiàn)，LG能源解決方案更接近于實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池技術(shù)，這將大大豐富我們的電池產(chǎn)品陣容。"

作為一家領(lǐng)先的電池制造商，LGES將繼續(xù)努力培養(yǎng)最先進(jìn)的技術(shù)，引領(lǐng)下一代電池單元的研究，LG能源解決方案公司表示，它計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)大與加州大學(xué)圣地亞哥分校的固態(tài)電池研究合作。