新型电解液阻止新一代锂电池快速性能下降

2019-12-17 15:14:58

阿贡的新电解质混合物稳定硅阳极循环。

锂离子电池普遍存在。由于其通用性,该电池可定制为为蜂窝电话、膝上型计算机、电动工具或电动车辆供电。它现在是每年连续增长的数十亿美元的企业的来源。

美国能源部(DOE)Argonne国家实验室的研究人员开发了一种新的电解质混合物和一种简单的添加剂,它可以在下一代锂离子电池中占有一席之地。

几十年来,科学家们一直在积极寻找新的电极材料和电解质,这些新的电极材料和电解质能够产生新一代的锂离子电池,提供更多的能量储存,同时更长的时间、更少的成本和更安全。这种新的发电将很可能使电动汽车更加普遍,并通过更便宜和更可靠的能量存储将电网的膨胀加速为可再生能源。

对于研制先进锂离子电池的科学家来说,硅阳极是取代目前石墨阳极的首选材料。与石墨相比,硅在理论储能能力方面有着显著的优势,它能够储存的锂几乎是石墨的十倍。提高硅的商业吸引力是它的低成本。它是地壳中第二丰富的物质,其在计算和通讯硬件中的广泛应用意味着存在着大量的加工技术。

"但仍有一个绊脚石,"注意到,Argonne化学科学和工程(CSE)部门的高级化学家杰克·沃希(jackvaughey)。"在循环过程中,锂离子电池中基于硅的阳极变得与电解质非常反应,并且该过程随着时间的流逝使电池劣化,从而导致循环寿命缩短。"

锂离子电池电解质目前包含溶剂混合物,其具有溶解的锂盐和至少一种,通常多于三种有机添加剂。Argonne科学家已经开发了独特的电解质添加剂策略-少量的第二盐,其含有几种双或三层带电金属阳离子(Mg2+、Ca2+、Zn2+或Al3+)中的任一种。这些增强的电解质混合物,统称为"台面"(代表硅阳极的混合盐电解质),使硅阳极增加了表面和体积稳定性,改善了长期循环和日历寿命。

"我们已经彻底地测试了用标准商业相关电极制造的具有全细胞的制剂,"说,巴兰是"新的化学结构简单,可扩展,与现有的电池技术完全兼容。"的一个化学家。

"在本项目中,我们极大地受益于Argonne的细胞分析、建模和原型(Camp)设施,"添加了Vaughey."我们测试了我们的配方。"

Argonne研究人员还研究了含台面的电解质的工作原理。在充电过程中,电解质溶液中的金属阳离子添加与锂离子一起迁移到硅基阳极中,以形成比锂硅更稳定的锂-金属-硅相。这种新的细胞化学极大地减少了硅阳极和电解质之间的有害的副反应,所述电解质已经用传统的电解质破坏了电池。在细胞中测试的四种金属盐中,添加的电解质盐与镁(Mg2+)或钙(Ca2+)阳离子在数百电荷放电循环中被证明是最佳的。用这些电池获得的能量密度超过了那些具有高达50%的石墨化学的可比电池的能量密度。

"基于这些测试结果,"说,"我们有理由相信,如果硅阳极在超过几%的浓度下取代石墨或构成阳极,则本发明将成为其中的一部分,并且可能会产生深远的影响。"

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