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改善阳极可以显著提高电池寿命

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-07-06
 

上图是聚合物粘合剂网保护的锂离子电池中的硅粒子,由于其对硅阳极的稳定作用,可以使锂离子电池实际运用于电动汽车与无人机等其他先进电子应用。

 

在硅电极中添加聚合物粘合剂可以改善锂离子电池的稳定性。

日本研究人员表示,他们改进了锂离子电池硅阳极的设计,可以提高高能量密度电池的整体寿命,从而可以解决一些目前与储能电池相关的限制。

来自日本先进科学技术研究所(JAIST)的科学家们已经验证了在锂离子电池硅阳极中添加一种特殊的聚合物复合粘合剂可以明显提高结构的稳定性。这使得使用这种材料制成的阳极制造的电池寿命更长,因此能够满足电动汽车和其他设备不断增长的能源需求。

多年来,锂离子电池一直是我们使用的大多数设备的默认配置,但它们的局限性已经变得很明显,尤其是在电动汽车上的使用,电动汽车需要更多的耐用性、能量密度和整体寿命。

研究人员一直在寻找用于这些电池的替代材料,利用硅代替石墨作为阳极是他们一直在寻找的解决方案之一。这是因为硅更丰富、廉价,而且比石墨有更高的理论放电容量。

然而,硅阳极也存在缺点;尤其是重复充电与放电会引起硅粒子的膨胀与破裂,从而在电解质和阳极之间形成厚的固态电解质界面(SEI)。厚固态电解质界面限制锂离子在电极中的移动,进而限制了电池的性能以及随时间的充放电能力。

粘合剂的应用

为了改善锂离子电池硅阳极的性能,由 Noriyoshi Matsumi教授带领的研究所团队研发使用聚合物复合粘合剂改善阳极硅粒子稳定性的方法。

研究人员表示,这会产生一层固态电解质界面,可阻止阳极与电解质自发地相互反应,但不会抑制锂离子流动。

具体来说,研究人员使用在复合粘合剂中使用了聚二亚氨基苯并萘醌(P-BIAN)和含羧酸盐的聚合物聚(丙烯酸)(PAA),通过氢键联系在一起。

Matsumi在新闻中声明,这种设计由n型导电聚合物(CPs)和具有氢键网络的质子提供聚合物组成,代表了“大容量电极材料的一个有前途的未来”。

事实上,复合聚合物结构可将硅粒子固定在一起,防止其破裂,而氢键允许结构自我修复。研究人员表示,这意味着如果聚合物断裂或降解,它们可以重新附着。

他们补充说,粘结剂还改善了阳极的导电性,同时通过限制电解液的电解分解保持薄SEI

改善阳极

为了测试粘合剂,团队制造了一个阳极半电池,这种半电池是由含石墨的硅纳米颗粒(Si/C)、粘合剂(P-BIAN/PAA)与乙炔黑(AB)导电添加剂组成。然后,他们将Si/C/P-BIAN/PAA/AB阳极进行重复充放电循环。

在该过程中,粘合剂稳定了硅阳极,可在超过600次循环后维持放电容量2100 mAh/g,研究人员将工作论文发表在《ACS Applied Energy Materials》杂志中。他们表示,相反,裸硅碳阳极的容量在90次循环中下降到600mAh/g

在测试阳极后,研究团队将其拆解,并通过光谱仪和显微镜对其进行检查,寻找任何可能因为硅破裂而发生的裂缝,这在这些阳极中很常见。研究人员发现,经过400次循环后,阳极保持了光滑的结构,只有一些微裂纹。他们说,这表明粘结剂成功地改善了电极的结构完整性。

Matsumi表示,研究结果总体上证明了硅阳极在锂离子电池中的未来应用前景很好,可以优化应用于电动汽车和其他电池驱动的车辆,如高性能无人机。

 

中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译

2022.7.5

 

 
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