鋰離子電池用途廣泛，目前其年交易量達(dá)數(shù)十億美元，并且還在持續(xù)增長(zhǎng)。美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的電解質(zhì)混合物和一種簡(jiǎn)單的添加劑，或許將在下一代鋰離子電池中占有一席之地。阿貢實(shí)驗(yàn)室的Baris Key表示：根據(jù)測(cè)試結(jié)果，我們有充分的理由相信，如果硅負(fù)極能取代石墨負(fù)極，哪怕是一小部分，也會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，本發(fā)明就是其中的一部分。

幾十年來(lái)，為了能制造出大容量、長(zhǎng)壽命、成本低且更加安全的新一代鋰離子電池，科學(xué)家們一直在積極尋找新的電極材料和電解質(zhì)。憑借廉價(jià)且可靠的儲(chǔ)能，新一代電池很可能使電動(dòng)汽車(chē)更加普及，加快電網(wǎng)向可再生能源發(fā)展。對(duì)于研制高級(jí)鋰離子電池的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，取代目前使用的石墨，硅是首選的負(fù)極材料。硅的理論儲(chǔ)能容量相比石墨具有顯著優(yōu)勢(shì)，幾乎是石墨的十倍。低成本的硅更具商業(yè)吸引力。它是地殼中豐度位于第二的材料，在計(jì)算和通信硬件中占主導(dǎo)地位，這表明其加工技術(shù)可靠。但硅仍然存在問(wèn)題，在循環(huán)過(guò)程中，鋰離子電池中的硅負(fù)極易于與電解液發(fā)生反應(yīng)，隨著時(shí)間的推移，這一過(guò)程造成電池性能下降，導(dǎo)致循環(huán)壽命縮短。目前的鋰離子電池電解質(zhì)由混合溶劑、至少一種溶解性鋰鹽和通常是三種以上的有機(jī)添加劑構(gòu)成。

阿貢實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家研究出獨(dú)特的電解質(zhì)添加劑策略——加入少量的第二種鹽，這種鹽含有二價(jià)或三價(jià)金屬陽(yáng)離子(Mg2+，Ca2+，Zn2+，Al3+)中的任何一種。這些增強(qiáng)型電解質(zhì)混合物被稱(chēng)為 MESA(硅負(fù)極混合鹽電解質(zhì))，可使硅負(fù)極內(nèi)外整體穩(wěn)定，并可長(zhǎng)期循環(huán)，使用壽命得到改善。Baris Key表示，經(jīng)過(guò)全流程電池制造，采用商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電極，MESA配方得到全方位檢驗(yàn)。新的化學(xué)品性質(zhì)簡(jiǎn)單，可放大生產(chǎn)，與現(xiàn)有的電池生產(chǎn)技術(shù)完全兼容。阿貢實(shí)驗(yàn)室的研究人員還研究了含有MESA的電解質(zhì)工作原理。在充電過(guò)程中，電解質(zhì)溶液中的金屬陽(yáng)離子與鋰離子一起遷移到硅負(fù)極中，形成鋰-金屬-硅態(tài)，比鋰-硅態(tài)更穩(wěn)定。這種新電池的化學(xué)性質(zhì)極大地降低了硅負(fù)極與電解質(zhì)之間不利副反應(yīng)的發(fā)生，而這一問(wèn)題一直困擾著傳統(tǒng)電解液電池。在電池上測(cè)試的4種金屬鹽中，添加了Mg2+或Ca2+的電解質(zhì)被證明效果最佳，充放電超過(guò)數(shù)百次。這些電池的能量密度比相應(yīng)的石墨負(fù)極電池高50%。

[靳愛(ài)民摘譯自 ScienceDaily，2019-10-10]