673886040@qq.com
НОВОСТИ ДОМАШНИХ ТЕХНОЛОГИЙ Новый метод заполнения увеличивает срок службы батареи до 44 %
Инженеры из Университета Райса добились успехов в предварительном литировании и разгадали механизм захвата лития. Потенциал аккумуляторов с кремниевым анодом для преобразования решений по хранению энергии имеет решающее значение для решения климатических задач и полной реализации возможностей электромобилей.
Тем не менее постоянная потеря ионов лития в кремниевых анодах является серьезным препятствием для разработки литий-ионных аккумуляторов следующего поколения.
Ученые из Инженерной школы им. Джорджа Р. Брауна Университета Райса разработали легко масштабируемый метод оптимизации предварительного литирования — процесса, который помогает снизить потери лития и улучшить срок службы батареи за счет покрытия кремниевых анодов стабилизированными частицами металлического лития (SLMP).
Лаборатория Райса инженера-химика и биомолекулярного инженера Сибани Лизы Бисваль обнаружила, что нанесение на аноды аэрозольного покрытия смесью частиц и поверхностно-активного вещества увеличивает срок службы батареи на 22-44%. Аккумуляторные элементы с большим количеством покрытия изначально достигают более высокой стабильности и долговечности. Однако был и недостаток: при циклировании на полной мощности большее количество частиц покрытия приводило к большему захвату лития, что приводило к более быстрому износу батареи в последующих циклах.
Исследование опубликовано в ACS Applied Energy Materials.
Замена графита кремнием в литий-ионных батареях значительно улучшит их плотность энергии — количество запасенной энергии по отношению к весу и размеру — потому что графит, сделанный из углерода, может содержать меньше ионов лития, чем кремний. Для каждого отдельного иона лития требуется шесть атомов углерода, в то время как только один атом кремния может соединиться с четырьмя ионами лития.
«Кремний — один из тех материалов, которые способны действительно улучшить плотность энергии анодной стороны литий-ионных аккумуляторов», — сказал Бисваль. «Вот почему в настоящее время в науке о батареях наблюдается такой толчок к замене графитовых анодов кремниевыми».
Однако у кремния есть и другие свойства, которые создают проблемы.
«Одна из основных проблем с кремнием заключается в том, что он постоянно образует то, что мы называем твердо-электролитным межфазным слоем или слоем SEI, который фактически потребляет литий», — сказал Бисваль.
Слой образуется, когда электролит в аккумуляторной ячейке реагирует с электронами и ионами лития, в результате чего на аноде откладывается слой солей нанометрового размера. После образования слой изолирует электролит от анода, предотвращая продолжение реакции. Тем не менее, SEI может выйти из строя во время последующих циклов зарядки и разрядки, и по мере его восстановления он еще больше необратимо истощает литиевый запас батареи.
Объем кремниевого анода будет меняться по мере цикла работы батареи, что может привести к поломке SEI или иным образом сделать ее нестабильной», — сказал Куан Нгуен, докторант химической и биомолекулярной инженерии и ведущий автор исследования. «Мы хотим, чтобы этот слой оставался стабильным в течение последующих циклов зарядки и разрядки аккумулятора».
Метод предварительного лития, разработанный Бисваль и ее командой, повышает стабильность слоя SEI, что означает, что при его формировании расходуется меньше ионов лития.
«Предварительное литирование — это стратегия, предназначенная для компенсации потери лития, которая обычно происходит с кремнием», — сказал Бисваль. «Вы можете думать об этом с точки зрения грунтовки поверхности, например, когда вы красите стену, и вам нужно сначала нанести грунтовку, чтобы убедиться, что ваша краска прилипает. Предварительное литирование позволяет нам «заправить» аноды, чтобы батареи могли иметь гораздо более стабильный и более длительный срок службы».
Хотя эти частицы и предварительное литирование не новы, лаборатория Bisval смогла улучшить процесс таким образом, чтобы его можно было легко включить в существующие процессы производства аккумуляторов.
«Одним аспектом процесса, который определенно является новым и который разработал Quan, было использование поверхностно-активного вещества для рассеивания частиц», — сказал Бисваль. «Раньше об этом не сообщалось, и это то, что позволяет вам иметь равномерную дисперсию. Таким образом, вместо того, чтобы скапливаться или накапливаться в разных карманах внутри батареи, их можно распределить равномерно».
Нгуен объяснил, что смешивание частиц с растворителем без поверхностно-активного вещества не приведет к получению однородного покрытия. Более того, напыление лучше обеспечивает равномерное распределение, чем другие методы нанесения на аноды.
«Метод распыления совместим с крупномасштабным производством», — сказал Нгуен.
Контроль циклической способности клетки имеет решающее значение для процесса.
«Если вы не контролируете мощность, с которой вы циклируете элемент, большее количество частиц вызовет этот механизм улавливания лития, который мы обнаружили и описали в статье», — сказал Нгуен. «Но если циклировать ячейку с равномерным распределением покрытия, то улавливания лития не произойдет.
«Если мы найдем способы избежать захвата лития путем оптимизации стратегий циклирования и количества SLMP, это позволит нам лучше использовать более высокую плотность энергии анодов на основе кремния».
Ссылка: «Эффекты предварительного лития при улучшении анодов на основе кремния для полноэлементных литий-ионных аккумуляторов с использованием стабилизированных частиц металлического лития», Куан Ань Нгуен, Анулеха К. Харидас, Танги Терлье и Сибани Лиза Бисвал, 1 мая 2023 г., ACS Applied Energy Materials.
