下一代阳极的新型制备为锂离子电池提供了动力

锂离子电池的性能对于使清洁过渡更便宜、更容易至关重要，这反过来又需要新一代的电池阳极材料。性能最好的选择之一是一氧化硅-碳复合材料，它会发生一系列不需要的化学反应。这种负极材料的新制备技术似乎终于解决了这个问题。

长期以来，在寻找下一代锂离子电池阳极材料的过程中，许多拟议的常规石墨替代品都受到一系列寄生化学反应的困扰。一种用于一氧化硅-碳复合材料的新型制备技术看起来将最终提供所需的效率增益，而不会出现任何不需要的副反应。

一篇描述该过程的论文发表在《纳米研究》杂志上。

自20世纪90年代后期以来，大多数锂离子电池制造商都使用石墨作为电池的阳极(电流进入电池的负极端子)，以取代炼焦煤。从焦炭到石墨(碳的一种形式)的转变是由于其在多次充电和放电循环中的长期稳定性。

但是，为了进一步提高锂离子电池的性能(从而使摆脱化石燃料的转变变得更便宜、更可行)，电池制造商将需要更好的阳极。

一种广受吹捧的石墨阳极材料替代品是硅基化合物，因为它们具有高比容量(放电率)并且在地壳中含量丰富。特别是一氧化硅已显示出对下一代高功率锂离子电池的巨大前景。

尽管有这样的前景，但一氧化硅本身也有一系列缺点，尤其是其固有的低电导率和在充电和放电循环过程中尺寸(体积)的巨大变化。这些高达300%的体积变化会导致阳极材料的破坏和脱落，从而从根本上降低性能。

“然而，如果一氧化硅与碳结合成一种复合材料——一种现有石墨阳极材料和下一代硅基阳极的混合体，我们可能会成为赢家，”ZhengwenFu说，该研究的合著者和复旦大学上海市分子催化与创新材料重点实验室的电化学家。“复合材料提供了两全其美的优势。但即使在这里，也有许多障碍需要克服。”

碳具有高导电性和上述结构稳定性的优点，并且在循环过程中体积膨胀也小得多。它的柔韧性和润滑能力也起到抑制硅体积膨胀的作用。总体而言，复合负极具有良好的容量和高循环性能。

不幸的是，解决了一组问题只会产生另一组问题：一氧化硅-碳复合阳极的库仑效率相对较差。库仑效率，有时称为电流效率，是指放入电池的总电荷与从电池中提取的总电荷之比。(库仑是用来描述电荷单位的术语)取出的总是比放入的少，但我们的目标是将这种不可避免的损失限制在最低限度。

库仑效率对于提高性能和降低我们需要的大量电池的成本特别重要，我们需要这些电池来为车辆通电，以及储能系统为风能和太阳能等可变可再生能源提供支持。

在锂离子电池使用一氧化硅-碳复合阳极的第一个循环中，一些锂与复合材料发生不可逆反应，产生“降解产物”，在阳极表面和电解质之间形成一层称为固体的层电解质界面，或SEI。这种寄生的“锂化”过程反过来会导致活性锂和库仑效率的损失。

为了克服这些挑战，研究人员开发了一种“预锂化”新技术，他们提前在电池中储存额外的锂，以补偿电池循环过程中寄生反应消耗的锂。其他研究人员开发了他们自己的预锂化技术，通常涉及纯金属锂、改性金属锂或含锂化合物。

所有这些方法都有其自身的局限性。例如，含锂化合物在循环过程中锂化后往往会释放气体，这会降低阳极的性能和电池的整体能量密度。

研究人员称之为“锂的固态腐蚀”的新预锂化技术通过更换液体电解质(允许离子在阳极与其正极之间传输的锂基介质，阴极，电池)与由碳结合的锂磷氮氧化物或LiCPON组成的固体电解质。这样，不仅避免了与金属锂相关的各种不需要的副反应，而且在阳极和电解质之间产生了更好的界面。

研究人员能够通过光学成像、电子显微镜和X射线衍射——三种不同的实时观察电化学反应的方法——来研究他们的固态腐蚀预锂化过程是否按照预期进行。该技术使阳极比使用液体电解质的预锂化电极提高了近83%。

在证明了他们关于“纽扣电池”(用于实验室电池研究和开发的小型电池)的概念后，研究人员现在想用工业级电池来展示该过程。

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