美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程師與韓國LG新能源電池公司的研究人員通過將兩個電池細(xì)分領(lǐng)域內(nèi)有發(fā)展前景的成分，創(chuàng)造了一種新型電池。該電池既采用了固態(tài)電解質(zhì)，也使用了全硅陽極，成為一種全固態(tài)硅電池。
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據(jù)外媒報(bào)道，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校（University of California San Diego）的納米工程師與韓國LG新能源電池公司（LG Energy Solution）的研究人員通過將兩個電池細(xì)分領(lǐng)域內(nèi)有發(fā)展前景的成分，創(chuàng)造了一種新型電池。該電池既采用了固態(tài)電解質(zhì)，也使用了全硅陽極，成為一種全固態(tài)硅電池。在最初的幾輪測試結(jié)果表明，此種電池非常安全、持久、能量密集，有望在電網(wǎng)存儲、電動汽車等廣泛應(yīng)用中發(fā)揮作用。
硅陽極因能量密度而聞名，其能量密度是當(dāng)今商用鋰離子電池中最常用的石墨陽極的10倍。另一方面，硅陽極因在電池充放電時碰撞與收縮的方式，以及如何在液體電解質(zhì)中降解而臭名昭著。盡管其能量密度很高，具有誘惑力，但上述挑戰(zhàn)也是全硅陽極無法用于商用鋰離子電池。但是由于此次研究人員采用了正確的電解質(zhì)，為全硅陽極提供了一條很有發(fā)展前景的道路。
高能量密度的新一代固態(tài)電池一直都將金屬鋰作為陽極，這限制了電池的充電速率，也限制了電池充電時溫度升高（通常是60攝氏度或更高）的需求。而硅陽極克服了此類限制，能夠在室溫至低溫情況下實(shí)現(xiàn)更快的充電速率，同時保持較高的能量密度。
該團(tuán)隊(duì)展示了一款實(shí)驗(yàn)室款電池，可在室溫下進(jìn)行500次充放電循環(huán)，而仍保持80%的容量。
硅陽極取代石墨陽極
當(dāng)然，硅陽極并不是什么新鮮事物。幾十年來，科學(xué)家和電池制造商一直都將硅作為一種能量密集的材料，用于混合或完全取代鋰離子電池中的傳統(tǒng)石墨陽極。從理論上看，硅的存儲容量大約是石墨的10倍。不過，實(shí)際上，如果鋰離子電池陽極添加硅以增加能量密度，通常會遇到現(xiàn)實(shí)的性能問題，特別是，電池在保持性能的同時，可以充放電的次數(shù)不夠多。
大部分問題都是由硅陽極及配合使用的液體電解質(zhì)之間的相互作用引起的。由于硅顆粒在電池充放電過程中，體積會膨脹較大，從而會導(dǎo)致情況更加復(fù)雜。而隨著時間的推移，會導(dǎo)致嚴(yán)重的容量損失。
因此，加州大學(xué)圣地亞哥分校的團(tuán)隊(duì)采取了不同的方法，去除了全硅陽極所使用的碳和粘合劑。此外，研究人員采用了微型硅，與納米硅相比，此種硅材料所需的加工更少，也更便宜。
一種全固態(tài)解決方案
除了去除陽極上的所有碳和粘合劑，該團(tuán)隊(duì)還去除了液體電解質(zhì)。相反，他們采用了一種基于硫化物制成的固態(tài)電解質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，此種固態(tài)電解質(zhì)在全硅陽極電池中非常穩(wěn)定。
過去，研究人員實(shí)現(xiàn)商業(yè)化硅合金陽極的方法主要集中在硅-石墨復(fù)合材料，或者將納米結(jié)構(gòu)的顆粒與聚合物結(jié)合，但是仍會遇到不穩(wěn)定的狀況。
通過將液體電解質(zhì)換成固態(tài)電解質(zhì)，同時在硅陽極上去除碳和粘合劑，研究人員避免了電池工作時，陽極浸泡在有機(jī)液體電解質(zhì)中而產(chǎn)生的一系列相關(guān)挑戰(zhàn)。同時，通過去除陽極中的碳，該團(tuán)隊(duì)顯著減少了與固態(tài)電解質(zhì)的界面接觸（以及不必要的副作用），避免了通常在液體電解質(zhì)中發(fā)生的連續(xù)容量損失情況。
該兩步走的技術(shù)讓研究人員能夠充分利用硅的低成本、高能量和環(huán)保特性。目前，初創(chuàng)公司UNIGRID Battery已經(jīng)獲得了該項(xiàng)制成全硅固態(tài)電池技術(shù)的許可權(quán)。
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