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2021年07月30日 | 研究人员发明出成像硅阳极退化的新方法 或有助于提高电池性能
2021-07-30
据外媒报道，工程科学与力学和生物工程教授Sulin Zhang及其研究团队开发出一种表征硅结构和化学演化的新方法，以及控制电池稳定性的薄层，将有助于解决避免将硅用于高容量电池的问题。该研究的重点是阳极、负电极和电解质的界面，这使得电荷能够在阳极和阴极之间移动。固体电解质中间相（SEI）层通常形成在固体电极和液体电解质之间的电极表面上，对于电池中的电化学反应以及控制电池的稳定性至关重要。使用硅作为阳极可以打造出更好的可充电电池。
（图片来源：Jennifer M. Mccann）
Zhang称：“在过去的10年间，硅作为可充电电池的高容量负极引起了很多关注。目前商业电池的负极材料主要使用的是石墨，但硅的容量大约是石墨的10倍。因此，全球有数千万、甚至数亿美元用于硅电池研究。”
这对于希望通过电动汽车和强大的便携式电子设备实现基础设施电气化的社会而言，非常鼓舞人心，但也存在诸多挑战。电池在充放电过程中，硅的体积会膨胀和收缩，从而导致硅材料开裂，因此SEI会一次次破碎再生，从而导致失去电接触和容量（电池存储的电荷量）下降。因此准确了解这个过程如何在结构和化学层面发生对于解决问题至关重要。
Zhang表示：“由于SEI层的稳定性控制着电池的稳定性，因此你不希望它不受控制地增长，从而消耗电解质材料和活性锂，使得电解液变干并损失活性材料，进而对电池性能产生不利影响。”
Zhang还表示：“SEI层对电池至关重要。但它非常薄，任何光学显微镜都看不到，并且在电池循环过程中会动态演变。当然，它可以被用于超纳米级、非常薄的材料的透射电子显微镜观察到。但由于需发送大量电子才能获得材料成分的高分辨率图像，而SEI层非常柔软，很容易被电子束破坏.”
为了克服上述问题，研究人员使用了低温扫描透射电子显微镜（cryo-STEM），并在使用cryo-STEM显微镜制备和成像期间将循环电极材料保持在低温下，以最大限度地减少电子束对样品的损坏。此外，他们还集成了用于3D成像的敏感元素断层扫描，以及旨在以较低电子剂量捕获图像的高级算法，从而生成SEI-硅相互作用的3D视图，并可在不同次数的电池循环后进行拍摄。
Zhang说：“我们方法的独特之处在cryo-STEM成像和多物理过程建模。我们可以在电池循环运行后可视化硅和SEI的演变，同时，使用计算模拟重述循环期间的整个微观结构演变过程。这正是此项研究的新颖之处。”
此项工作可以使人们更好地了解导致硅阳极中SEI层生长和不稳定的机制。Zhang表示：“因此，随着对SEI层生长机制的了解，我可以们对如何提高硅负极或电池设计的性能有更多想法，从而为下一代锂电池打造出更坚固的硅阳极。”
Zhang认为下一代锂电池将为行业和普通消费者带来多重好处。Zhang表示：“硅的储量丰富，可以降低电池的价格。此外，一旦可以使用硅作为具有长循环寿命的阳极，我们将大大提高可充电电池的容量。”
凭借对硅负极电池在充电和放电过程中SEI层演变的批判性理解，Zhang表示下一步将利用这些知识来帮助设计一种不会因循环而损失容量的硅负极电池。Zhang称：“随着对该潜在机制的了解，我们将产生一系列科学假设，随后使用硅阳极进行测试，从而减轻与硅体积变化相关的不利影响。通过控制目前不可控的因素，我们可以设计出性能更好的硅电极。”
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