最近，工程师们创造了一种新型的电池，将两个十分有前景的电池子领域“硅负极”和“全固态电解质”组成起来变成了“硅全固态电池”。最初几轮测试表明，这种新电池足够安全、持久、且能量密集，因此有希望在从电网存储到电动汽车的广泛领域中得到应用。该技术已发表在2021年9月24日的《科学》杂志上。
硅负极一向以其能量密度而闻名，比当今最常使用的石墨负极高出10倍，因此几十年来科学家和电池制造商一直致力于把硅作为一种高能量密度的材料，用来混合或完全取代锂离子电池中常规的石墨负极。
但硅负极也有着很大的缺陷，大部分是由于硅阳极和它们所配对的液体电解质之间的相互作用引起的，同时在充放电过程中，硅颗粒的大体积膨胀也会使情况变得更加复杂。随着时间的推移，这些缺陷会导致严重的容量损失问题，因此以硅为负极材料的电池在保持性能的同时能够充放电的次数不够高，因此商业应用一直受限。
“作为电池研究人员，解决系统中的根本问题至关重要。对于硅负极，我们知道最大的问题之一是液态电解质界面的不稳定性，”加州大学圣地亚哥分校纳米工程学教授Shirley Meng说，她是《科学》杂志论文的通讯作者，同时也是加州大学圣地亚哥分校材料发现与设计研究所的主任。“我们需要一种完全不同的方法，”Meng表示。
研究小组为了解决以上问题，尝试着去除了液态电解质，并改用以硫化物为基础的固体电解质，同时去除硅负极上的碳和粘结剂。他们的实验表明，这种固体电解质在全硅阳极电池中极为稳定。“这项新工作为硅阳极问题提供了一个很有前途的解决方案，尽管还有更多的工作要做。”Shirley Meng教授说，“我认为这个项目是对加州大学圣地亚哥分校电池研究方法的验证。”
通过将液态电解质换成固态电解质，研究人员避免了一系列相关的挑战，同时通过消除负极中的碳，研究小组显著减少了与固体电解质的界面接触和不必要的副反应，避免了液基电解质容易出现的连续电容损失问题。此外，常见固态电池使用的锂负极对于电池的充电率也有限制，而且在充电时需要升高温度。硅负极则能克服这些限制，允许电池在室温到低温下有更快的充电速率，同时保持高能量密度，可谓是一举多得。
最后，该团队展示了一个实验室规模的全电池，在室温下可进行500次充放电循环，容量保持率为80%，这对硅负极和固态电池界来说都是令人兴奋的进展。
“固态硅方法克服了传统电池的许多局限性。这为我们提供了激动人心的机会，以满足市场对更高能量密度、更低成本和更安全的电池的需求，特别是在电网能源储存方面，”《科学》杂志的第一作者Darrenh. s. Tan 说。
LG能源解决方案公司总裁兼首席采购官Myung-hwanKim表示：“LG能源解决方案公司很高兴加州大学圣地亚哥分校对电池技术的最新研究发表在《科学》杂志上，这是一个有意义的承认。根据最新的发现，LG能源解决方案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。”
来源：azom
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