研究人員表示，一種表征硅的結(jié)構(gòu)和化學(xué)演化的新方法以及控制電池穩(wěn)定性的薄層可能有助于解決阻止將硅用于高容量電池的問題。

研究的重點(diǎn)是陽極、負(fù)電極和電解質(zhì)的界面，這使得電荷能夠在陽極和另一個(gè)電極（陰極）之間移動(dòng)。固體電解質(zhì)中間相(SEI)層通常形成在固體電極和液體電解質(zhì)之間的電極表面上，對(duì)于電池中的電化學(xué)反應(yīng)以及控制電池的穩(wěn)定性至關(guān)重要。使用硅作為陽極可以實(shí)現(xiàn)更好的可充電電池。

在過去的10年里，硅作為可充電電池的高容量負(fù)極引起了很多關(guān)注，工程科學(xué)與力學(xué)和生物工程教授張?zhí)K林說，目前商業(yè)化的電池使用石墨作為負(fù)極材料，但硅的容量大約是石墨的10倍。因此，有數(shù)千萬、數(shù)億甚至數(shù)億美元用于硅電池研究。

對(duì)于希望通過電動(dòng)汽車和強(qiáng)大的便攜式電子設(shè)備為其基礎(chǔ)設(shè)施電氣化的社會(huì)來說，這是個(gè)好消息，但是，也存在挑戰(zhàn)。電池在充放電過程中，硅的體積會(huì)膨脹和收縮，從而導(dǎo)致硅材料開裂，SEI會(huì)一次次破碎再生。這會(huì)導(dǎo)致失去電接觸和容量下降，即電池存儲(chǔ)的電荷量。

準(zhǔn)確了解這個(gè)過程如何在結(jié)構(gòu)和化學(xué)上展開對(duì)于解決問題至關(guān)重要。

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因?yàn)檫@一層的穩(wěn)定性控制著電池的穩(wěn)定性，你不希望它不受控制地增長(zhǎng)，因?yàn)檫@一層的產(chǎn)生會(huì)消耗電解質(zhì)材料和活性鋰，張說，這可能會(huì)導(dǎo)致電解液變干和活性材料的損失，從而對(duì)電池性能產(chǎn)生不利影響。

張和他的團(tuán)隊(duì)在《自然納米技術(shù)》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)是能夠觀察、表征和理解這一過程。

SEI層對(duì)電池至關(guān)重要，張說，但它非常薄，任何光學(xué)顯微鏡都看不到，并且在電池循環(huán)過程中動(dòng)態(tài)演變。它可以被用于非常納米級(jí)、非常薄的材料的透射電子顯微鏡觀察到。但對(duì)于SEI，這一層非常柔軟并且很容易被電子束破壞，因?yàn)槟仨毎l(fā)送大量電子才能獲得材料成分的高分辨率圖像。

為了克服這個(gè)問題，研究人員使用了低溫掃描透射電子顯微鏡（cryo-STEM）。他們?cè)谥苽浜褪褂玫蜏豐TEM顯微鏡成像期間將循環(huán)電極材料保持在低溫下，以最大限度地減少電子束對(duì)樣品的損壞。此外，他們集成了用于3D成像的敏感元素?cái)鄬訏呙?，以及旨在以較低電子劑量捕獲圖像的高級(jí)算法。這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了SEI-硅相互作用的3D視圖，在不同次數(shù)的電池循環(huán)后拍攝。

我們方法的獨(dú)特之處在于低溫STEM成像和多物理過程建模，張說，我們可以在電池循環(huán)運(yùn)行后可視化硅和SEI的演變；同時(shí)，我們可以使用計(jì)算模擬重述循環(huán)期間的整個(gè)微觀結(jié)構(gòu)演變過程。這就是這項(xiàng)研究的新穎之處。

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該團(tuán)隊(duì)的工作使人們更好地了解導(dǎo)致硅陽極中SEI層生長(zhǎng)和不穩(wěn)定的機(jī)制。

因此，隨著對(duì)SEI層生長(zhǎng)機(jī)制的了解，這將使我們對(duì)如何提高硅負(fù)極或電池設(shè)計(jì)的性能有很多見解，張說，然后我們可以為下一代鋰電池制造更堅(jiān)固的硅陽極。

他解釋說，下一代鋰電池將為行業(yè)和普通消費(fèi)者帶來多重好處。

硅是非常豐富的，如果我們可以使用硅作為具有長(zhǎng)循環(huán)壽命的陽極，我們將大大提高可充電電池的容量，張說，而且，由于硅資源豐富，這將降低電池的價(jià)格。

憑借對(duì)硅負(fù)極電池在充電和放電過程中SEI層演變的批判性理解，張說下一步將利用這些知識(shí)來幫助設(shè)計(jì)一種不會(huì)因循環(huán)而損失容量的硅負(fù)極電池。

隨著對(duì)潛在機(jī)制的了解，下一步是產(chǎn)生一些科學(xué)假設(shè)，張說，然后我們將用硅陽極測(cè)試這個(gè)假設(shè)，以便我們可以減輕與硅體積變化相關(guān)的不利影響。通過控制當(dāng)前不可控的因素，我們可以設(shè)計(jì)出性能更好的硅電極。

與張一起，參與這項(xiàng)研究的賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員包括工程科學(xué)與力學(xué)研究生TianwuChen和DingchuanXue。其他研究人員包括來自太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室的楊賀、徐耀斌、王崇敏、賈海平、冉毅、苗松、李曉林和張繼光；來自ThermoFisherScientific、LinJiang、ArdaGenc、CedricBouchet-Marquis、LeePullan和TedTessner；來自洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室，JinkyoungYoo。

能源部和國家科學(xué)基金會(huì)資助了這項(xiàng)研究。