鋰離子電池中的硅陽極為何會快速退化和失效？賓夕法尼亞州工程研究人員最近的一項研究提供了新的見解。科研團(tuán)隊使用先進(jìn)的成像技術(shù)和高對比度的金來代替硅，顯示了陽極的碎片在電池循環(huán)中是如何被困在形成的化學(xué)層中，逐漸掏空陽極，直到它散架。

可充電的鋰離子電池?zé)o處不在，為智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦以及越來越多的電動汽車提供動力。因此，使這些電池更輕、更小、更便宜，并且能夠更快地充電，同時又不影響性能，是一個重大的設(shè)計挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，科學(xué)家和工程師正在開發(fā)新的電極材料，可以在相同的空間內(nèi)儲存更多的鋰。

其中一個有希望的解決方案是電池的負(fù)極（也稱陽極）使用鋁合金材料。例如，一磅的硅產(chǎn)生的“合金型”陽極，可以存儲大約 10 磅石墨相同的鋰，后者是目前在商業(yè)鋰離子電池中使用的“插層型”（intercalation-type）陽極。這意味著用前者取代后者有可能使陽極輕 10 倍，并大大縮小。

盡管有這樣的承諾，合金型陽極還沒有得到廣泛的采用。這部分是因為當(dāng)鋰離子被插入陽極內(nèi)的合金型硅顆粒時，這些顆粒開始膨脹并破裂，導(dǎo)致電池在僅僅幾個充電周期后就失效。縮小這些顆粒的尺寸，使其特征處于納米級--例如在納米多孔硅中--可以緩解這種退化，但實(shí)際的作用機(jī)制還沒有被完全理解。

現(xiàn)在，在發(fā)表于《ACS能源通訊》的一項研究中，賓夕法尼亞州工程公司的研究人員揭示了當(dāng)合金型陽極充電和放電時在納米尺度上發(fā)生的復(fù)雜電化學(xué)過程。對目前阻礙這類有前途的儲能材料的降解行為的更好理解，可以為新的、更有效的電池設(shè)計打開大門。

在本研究之前，常規(guī)合金型陽極退化是如何發(fā)生的，其基本模型顯示在本圖的上半部分。當(dāng)帶有硅陽極的鋰離子電池充電時，硅顆粒（淺藍(lán)色）在吸收鋰離子時物理性地增長。在這些含鋰的硅顆粒（深藍(lán)色）周圍還形成了一層SEI，即固體電解質(zhì)相（灰色），只是在電池放電時斷開。

這項研究為退化的原因提供了新的見解，如圖中的底部所示。在充電過程中，硅片被困在 SEI 中，當(dāng) SEI 在放電過程中與它分離時，原來的顆粒就變成了多孔的。隨著這個過程的重復(fù)，粒子的收縮越來越大，直到它最終散開。資料來源：賓夕法尼亞大學(xué)工程學(xué)院

這項研究是由材料科學(xué)與工程（MSE）系的史蒂芬森學(xué)期助理教授 Eric Detsi，以及研究生研究助理 John Corsi 和 Samuel Welborn 進(jìn)行的。他們與 MSE 教授和物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究實(shí)驗室（LRSM）主任 Eric Stach 合作。

正如其名稱所示，鋰離子電池通過正極（也被稱為陰極）的鋰與陽極材料之間的電化學(xué)反應(yīng)來儲存能量。在充電過程中，當(dāng)鋰離子實(shí)際進(jìn)入陽極晶格中的空間時，它們與該材料結(jié)合，并在此過程中吸收電子；放電時，電池會移除鋰，以便重復(fù)這一過程，但在合金型陽極的情況下，也會導(dǎo)致陽極材料增長并最終斷裂。

在這些過程中，有多個中間步驟；了解它們在致密硅和納米多孔硅之間的不同，可能會對后者為什么能更好地抵御降解提供一些提示。然而，對這些過程的密切調(diào)查一直受阻于在如此小的尺度上對相關(guān)硅結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像的挑戰(zhàn)。

Detsi 說：“為了解決這一挑戰(zhàn)。我們使用透射電子顯微鏡和X射線散射技術(shù)的獨(dú)特組合來研究鋰離子電池陽極在充電和放電過程中的退化。我們使用金而不是硅，因為金在電子顯微鏡成像過程中產(chǎn)生比硅更好的對比度。這可以清楚地檢測到在充電和放電過程中在金電極上形成的固體電解質(zhì)相間表面涂層，稱為 SEI。金也比硅散射更多的X射線，這使得它更容易探測在這些過程中陽極結(jié)構(gòu)的變化”。