工程师们创造了一种新型电池，将两个有前途的电池子领域编织成一个电池。该电池同时使用固态电解质和全硅阳极，使其成为硅全固态电池。最初的几轮测试表明，新电池安全、持久且能量密集。它有望用于从电网存储到电动汽车的广泛应用。
该电池技术是在9月24日描述，2021发行的杂志上的科学。加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师与 LG Energy Solution 的研究人员合作领导了这项研究。
硅阳极以其能量密度而闻名，比当今商业锂离子电池中最常用的石墨阳极高10 倍。另一方面，硅阳极因其在电池充电和放电时如何膨胀和收缩以及它们如何随液体电解质降解而臭名昭著。尽管具有诱人的能量密度，但这些挑战使全硅阳极无法用于商用锂离子电池。得益于正确的电解质，发表在《科学》杂志上的新工作为全硅阳极提供了一条有希望的前进道路。
“通过这种电池配置，我们为使用硅等合金阳极的固态电池开辟了一个新领域，”该论文的第一作者 Darren HS Tan 说。他最近完成了他的化学工程博士学位。在加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院，并共同创立了一家初创公司 UNIGRID Battery，该公司已获得该技术的许可。
具有高能量密度的下一代固态电池一直依赖金属锂作为阳极。但这对电池充电率和充电过程中需要升高的温度(通常为 60 摄氏度或更高)施加了限制。硅阳极克服了这些限制，可以在室温到低温下实现更快的充电速率，同时保持高能量密度。
该团队展示了一种实验室规模的全电池，可在室温下提供 500 次充电和放电循环，容量保持率为 80%，这代表了硅阳极和固态电池社区的令人兴奋的进展。
硅作为阳极替代石墨
当然，硅阳极并不新鲜。几十年来，科学家和电池制造商一直将硅视为一种能量密度高的材料，以混合或完全替代锂离子电池中的传统石墨阳极。从理论上讲，硅的存储容量大约是石墨的 10 倍。然而，在实践中，在阳极添加硅以增加能量密度的锂离子电池通常会遇到现实世界的性能问题：特别是电池在保持性能的同时可以充电和放电的次数不够高。
大部分问题是由硅阳极与其配对的液体电解质之间的相互作用引起的。在充电和放电过程中，硅颗粒的体积膨胀很大，使情况变得复杂。随着时间的推移，这会导致严重的容量损失。
“作为电池研究人员，解决系统中的根本问题至关重要。对于硅阳极，我们知道其中一个大问题是液体电解质界面的不稳定性，”加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授 Shirley Meng 说，他是该研究的通讯作者。科学论文，加州大学圣地亚哥分校材料发现与设计研究所所长。“我们需要一种完全不同的方法，”孟说。
事实上，加州大学圣地亚哥分校领导的团队采取了不同的方法：他们消除了与全硅阳极一起使用的碳和粘合剂。此外，研究人员使用了微硅，与更常用的纳米硅相比，微硅加工更少，成本更低。
全固态解决方案
除了从阳极去除所有碳和粘合剂外，该团队还去除了液体电解质。相反，他们使用了基于硫化物的固体电解质。他们的实验表明，这种固体电解质在具有全硅阳极的电池中非常稳定。
“这项新工作为硅阳极问题提供了一个有希望的解决方案，尽管还有更多工作要做，”孟教授说，“我认为这个项目是对我们在加州大学圣地亚哥分校电池研究方法的验证。我们将最严谨的理论和实验工作，具有创造力和开箱即用的思维。我们也知道如何在追求艰巨的基本挑战的同时与行业合作伙伴互动。”
过去将硅合金阳极商业化的努力主要集中在硅-石墨复合材料上，或将纳米结构颗粒与聚合物粘合剂相结合。但他们仍然在与稳定性差的问题作斗争。
通过将液体电解质换成固体电解质，同时去除硅阳极上的碳和粘合剂，研究人员避免了在电池运行时阳极浸入有机液体电解质中时出现的一系列相关挑战。
同时，通过消除阳极中的碳，该团队显着减少了与固体电解质的界面接触(和不需要的副反应)，避免了液体电解质通常发生的连续容量损失。
这一由两部分组成的举措使研究人员能够充分受益于硅的低成本、高能量和环境友好特性。
影响和衍生商业化
“固态硅的方法克服了许多局限性，传统的电池。它为我们更高的体积能量，降低了成本，特别是对电网安全的电池满足市场需求令人兴奋的机会能量储存，”达伦HS谭，第一作者说：在科学论文上。
硫化物基固体电解质通常被认为是高度不稳定的。然而，这是基于液体电解质系统中使用的传统热力学解释，并没有考虑到固体电解质的优异动力学稳定性。该团队看到了利用这种违反直觉的特性来制造高度稳定的阳极的机会。
Tan 是一家初创公司 UNIGRID Battery 的首席执行官兼合创始人，该公司已获得这些硅全固态电池的技术许可。
与此同时，加州大学圣地亚哥分校将继续开展相关的基础工作，包括与 LG Energy Solution 的额外研究合作。
LG Energy Solution总裁兼首席采购官 Myung-hwan Kim 表示：“LG Energy Solution 很高兴与加州大学圣地亚哥分校合作进行的电池技术的最新研究发表在《科学》杂志上，这是一个有意义的认可。” “根据最新发现，LG Energy Solution 更接近于实现全固态电池技术，这将极大地丰富我们的电池产品阵容。”
“作为领先的电池制造商，LGES 将继续努力在下一代电池的领先研究中培养最先进的技术，”Kim 补充道。LG Energy Solution 表示计划进一步扩大与加州大学圣地亚哥分校的固态电池研究合作。