新电解质提高下一代锂离子电池的循环寿命

阿贡电解质混合物背后的机理

充电的结果是双或三电荷的金属阳离子,如Mg2+(橙色球),以及单电荷的锂离子(绿色球)被从电解质共插入硅(蓝色球)负极材料。这个过程稳定阳极,使锂离子电池能够长期循环使用。资料来源:阿贡国家实验室

Argonne的新电解液混合物在循环期间稳定硅阳极。

锂离子电池无处不在。由于它的多功能性,这种电池可以定制为手机、笔记本电脑、电动工具或电动汽车供电。它现在是一个每年数十亿美元的企业的来源,并且每年都在继续增长。

美国能源部阿贡国家实验室的研究人员已经开发出一种新的电解质混合物和一种简单的添加剂,可以在下一代锂离子电池中占有一定的位置。

“基于这些测试结果,我们有充分的理由相信,如果硅阳极取代石墨或构成阳极的浓度超过几个百分点,这项发明将是其中的一部分,并可能产生深远的影响。——巴里斯·基,阿贡化学家

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,以生产新一代锂离子电池,这种电池能储存更大的能量,同时寿命更长,成本更低,更安全。这新一代将可能使电动汽车更加普及,并通过更便宜、更可靠的能源存储,加速电网向可再生能源的扩张。

对于开发先进锂离子电池的科学家来说,硅阳极已经成为取代目前石墨阳极的最佳选择。理论上,硅的储能能力比石墨有显著的优势,它的储能能力几乎是锂的十倍。提高硅在商业上的吸引力在于它的低成本。它是地壳中第二丰富的物质,它在计算和电信硬件上的普及意味着存在大量的处理技术。

“但是斯科讷化学科学和工程(CSE)部门的高级化学家Jack Vaughey仍然存在绊脚石。”“在循环中,锂离子电池中的硅基阳极与电解质变得非常反应,并且该过程随着时间的推移降低细胞,导致缩短的循环寿命。”

锂离子电池电解质目前含有溶解的锂盐和至少一种,通常超过三种有机添加剂。Argonne科学家开发了独特的电解质添加剂策略 - 少量含有几种双重或三次带电金属阳离子(MG2 +、钙2 +,Zn.2 +,或3 +)。这些增强的电解液混合物统称为“MESA”(即硅阳极的混合盐电解质),使硅阳极的表面和整体稳定性增强,提高了长期循环和日历寿命。

“我们已经通过标准商业上相关电极制造的全细胞进行了彻底测试的MESA配方,”CSE部门的化学家。“新化学简单,可扩yabovip2021展,与现有电池技术完全兼容。”

“在这个项目中,我们从Argonne的细胞分析、建模和原型(CAMP)设施中获益良多,”Vaughey补充说。“我们就是在那里测试了我们的MESA配方。”

阿贡的研究人员还调查了含台面的电解质是如何工作的。在充电过程中,电解质溶液中的金属离子随锂离子迁移到硅基阳极形成锂-金属-硅相,这种相比锂-硅更稳定。这种新的电池化学结构大大减少yabovip2021了硅阳极和电解液之间的有害副反应,而传统电解液曾困扰电池。在电池中测试的四种金属盐中,添加了镁(Mg2 +)或钙(Ca2 +经过数百次充放电循环,阳离子的效果最好。这些电池获得的能量密度超过了那些具有石墨化学的可比电池高达50%。yabovip2021

“基于这些测试结果,”Key说,“我们有充分的理由相信,如果硅阳极取代石墨或构成阳极的浓度超过几个百分点,这项发明将是其中的一部分,并可能产生深远的影响。”

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这项研究是由能源效率和可再生能源办公室、汽车技术办公室资助的。

2019年7月18日,作者:Han Binghong, Chen Liao, Fulya Dogan, Stephen E. Trask, Saul H. Lapidus, John T. Vaughey and Baris KeyACS应用材料和接口
DOI: 10.1021 / acsami.9b07270

在进行这项研究时,科学家们利用了位于阿贡的美国能源部(DOE)科学办公室的两个用户设施:先进光子源(APS)和纳米材料中心(CNM)。他们在APS的束线11-BM上进行了高能x射线衍射测量,在CNM上进行了扫描电子显微镜和透射电子显微镜。

关于阿贡纳米材料中心
纳米材料中心是美国能源部五个纳米尺度科学研究中心之一,是美国能源部科学办公室支持的纳米尺度跨学科研究的首要国家用户设施。NSRCs包括一系列互补设施,为研究人员提供最先进的能力来制造、加工、表征和建模纳米尺度材料,并构成国家纳米技术计划的最大基础设施投资。国家科学研究中心位于美国能源部的阿贡、布鲁克海文、劳伦斯伯克利、橡树岭、桑迪亚和洛斯阿拉莫斯国家实验室。

关于先进光子源
这项研究使用了先进光子源的资源,这是美国能源部科学办公室的一个用户设施,由阿贡国家实验室根据合同编号为。DE-AC02-06CH11357。

关于阿贡国家实验室
Argonne国家实验室寻求解决迫切国家科技问题的国家问题。Argonne的第一个国家实验室,氩气在几乎每个科学学科都进行了领先的基本基础和应用科学研究。Argonne研究人员与来自数百家公司,大学和联邦,州和市政机构的研究人员密切合作,帮助他们解决他们的具体问题,推进美国的科学领导,并为国家做好准备。Argonne由来自60多个国家的员工由Uchicago Argonne,LLC为美国能源部的科学办公室管理。

关于美国能源部的科学办公室
美国能源部科学办公室是美国物理科学基础研究最大的单一支持者,并致力于解决我们这个时代一些最紧迫的挑战。

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